鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計(jì)

廖輝

“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)剪弱彎”等是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中非常重要的概念。簡單地說，雖然整個(gè)結(jié)構(gòu)體系是由各種構(gòu)件協(xié)調(diào)組成一體，但各個(gè)構(gòu)件擔(dān)任的角色不盡相同，按照其重要性也就有輕重之分。一旦不可意料的破壞力量突然襲來，各個(gè)構(gòu)件協(xié)作抵抗的目的，就是為了保住最重要的構(gòu)件免遭摧毀或者至少是最后才遭摧毀，在建筑結(jié)構(gòu)中，柱倒了，梁會跟著倒；而梁倒了，柱還可以不倒的。可見柱承擔(dān)的責(zé)任比梁大，柱不能先倒。為了保證柱是在最后失效，我們故意把梁設(shè)計(jì)成相對薄弱的環(huán)節(jié)，使其破壞在先，以最大限度減少可能出現(xiàn)的損失。以下就鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件來分別闡述延性設(shè)計(jì)的理念。

什么是混凝土框架強(qiáng)柱弱梁的概念設(shè)計(jì)？

由于梁截面高度較高，且與現(xiàn)澆樓板組成T形截面構(gòu)件共同工作，形成強(qiáng)梁弱柱，導(dǎo)致柱子破壞，房屋倒塌。框架結(jié)構(gòu)的彈塑性分析表明，強(qiáng)震作用下，梁端實(shí)際達(dá)到的彎矩與其正截面受彎承載力是相等的，柱端實(shí)際達(dá)到的彎矩也與其偏壓下的受彎承載力相等。這是地震作用效應(yīng)的一個(gè)特點(diǎn)。因此，所謂“強(qiáng)柱弱梁”指的是：節(jié)點(diǎn)處梁端實(shí)際受彎承載力 和柱端實(shí)際受彎承載力 之間滿足下列不等式：

這種概念設(shè)計(jì)，由于地震的復(fù)雜性、樓板的影響和鋼筋屈服強(qiáng)度的超強(qiáng)，難以通過精確的計(jì)算真正實(shí)現(xiàn)。國外的抗震規(guī)范多以設(shè)計(jì)承載力來衡量或?qū)摻羁估瓘?qiáng)度乘以超強(qiáng)系數(shù)來實(shí)現(xiàn)。《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，只在一定程度上減緩柱端的屈服。一般采用適當(dāng)增大柱端彎矩設(shè)計(jì)值的方法，其取值體現(xiàn)了抗震等級的差異。

具體的做法

第一，柱剪跨比限制 。剪跨比反映了構(gòu)件截面承受的彎矩與剪力的相對大小。它是影響柱極限變形能力的主要因素之一，對構(gòu)件的破壞形態(tài)有很重要的影響。 因此柱的剪跨比宜控制在2.0以上。

第二，梁、柱剪壓比限制 。當(dāng)構(gòu)件的截面尺寸太小或混凝土強(qiáng)度太低時(shí)，按抗剪承載力公式計(jì)算的箍筋數(shù)量會很多，則箍筋在充分發(fā)揮作用之前，構(gòu)件將過早呈現(xiàn)脆性斜壓破壞，這時(shí)再增加箍筋用量已沒有意義。因此，設(shè)計(jì)中應(yīng)限制剪壓比即梁、柱截面的平均剪應(yīng)力，使箍筋數(shù)量不至于太多，同時(shí)，也可有效地防止斜裂縫過早出現(xiàn)，減輕混凝土碎裂程度。這實(shí)質(zhì)上也是對構(gòu)件最小截面尺寸的要求。

第三，柱軸壓比限制。試驗(yàn)研究表明，軸壓比的大小，與柱的破壞形態(tài)和變形能力是密切相關(guān)的。隨著軸壓比不同，柱將產(chǎn)生兩種破壞形態(tài)：受拉鋼筋首先屈服的大偏心受壓破壞和破壞時(shí)受拉鋼筋并不屈服的小偏心受壓破壞。而且，軸壓比是影響柱的延性的重要因素之一，柱的變形能力隨軸壓比增大而急劇降低，軸壓比超過界限值將發(fā)生小偏壓脆性破壞。尤其在高軸壓比下，增加箍筋對改善柱變形能力的作用并不明顯。所以，抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)限制柱的軸壓比不能太大，其實(shí)質(zhì)就是希望框架柱在地震作用下，仍能實(shí)現(xiàn)大偏心受壓下的彎曲破壞，使柱具有延性性質(zhì)。因此《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，對于框架柱相應(yīng)于一、二、三、四級抗震時(shí)，軸壓比限值分別為0.65、0.75、0.85、0.9。

第四，鋼筋設(shè)置。試驗(yàn)表明：鋼筋混凝土單筋梁的延性，隨截面混凝土受壓區(qū)相對高度的減小而增大，而混凝土受壓區(qū)相對高度隨著配筋率的增大、鋼筋屈服強(qiáng)度的提高和混凝土強(qiáng)度等級的降低而增大，延性性能降低。為此，《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》對一、二、三、四級抗震等級框架梁的混凝土受壓區(qū)相對高度和配筋率作出了規(guī)定。一般截面受壓區(qū)高度χ=0.35~0.20ho時(shí)，位移延性系數(shù)相應(yīng)為3～4。所以規(guī)范規(guī)定，一級抗震等級時(shí)，χ≤0.25ho，二、三級抗震等級時(shí)，χ≤0.35h0，并且要求受壓鋼筋與受拉鋼筋之比控制在一定范圍內(nèi)，即A' s≥0.5As（一級抗震），A' s≥0.3As（二、三級抗震）。為防止過多的縱向受拉鋼筋在地震中使梁產(chǎn)生粘結(jié)劈裂破壞，規(guī)范還規(guī)定梁端縱向受拉鋼筋的配筋率ρs≤2.5%。在地震作用下，梁的反彎點(diǎn)變化很難準(zhǔn)確預(yù)計(jì)，所以應(yīng)有足夠數(shù)量的鋼筋貫通梁的上、下部。同時(shí)，將梁的最小配筋率比非地震作用時(shí)的規(guī)定予以提高。為防止地震作用下柱子少筋脆性破壞和超筋粘結(jié)劈裂破壞，柱的縱向受力鋼筋總配筋率不得少于1.0%、0.8%、0.7%、0.6%、（相應(yīng)于一、二、三、四級抗震等級），角柱的上述限值相應(yīng)提高0.1%；柱的縱向配筋率最大間距不宜超過200 mm。另外，震害表明，梁端、柱端震害嚴(yán)重，是框架梁、柱的薄弱部位。當(dāng)框架柱斷面相對較大，在梁端箍筋加密，形成彎曲破壞的塑性鉸破壞機(jī)制，可保護(hù)柱子的安全。樓板形成框架柱的上下嵌固端，所以按照強(qiáng)剪弱彎原則設(shè)計(jì)的箍筋主要配置在梁端、柱端塑性鉸區(qū)，稱為箍筋加密區(qū)。柱端箍筋加密，形成彎曲破壞的塑性鉸，避免脆性破壞的倒塌。在塑性鉸區(qū)配置足夠的箍筋，可約束核心混凝土，顯著提高塑性鉸區(qū)混凝土的極限應(yīng)變值，提高抗壓強(qiáng)度，防止斜裂縫的開展，從而可充分發(fā)揮塑性鉸的變形和耗能能力，提高柱的延性。

第五，短柱、短梁的震害。短柱的變形特征為剪切型、脆性破壞。震害表明，磚填充墻對框架柱的約束，如：框架柱間砌筑不到頂?shù)母魤Α⒋伴g墻以及樓梯間休息平臺使框架柱變成短柱。因填充墻約束形成短梁，同樣會剪切破壞。所以短柱造成的強(qiáng)梁弱柱應(yīng)當(dāng)避免，當(dāng)短柱的兩側(cè)增加翼墻，破壞有所改善。箍筋加密、箍筋135度角彎鉤、鋼筋錨固長度等抗震構(gòu)造措施十分重要。

第六，框架填充墻。填充墻與主體框架的連接應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)，如框架柱每隔500mm設(shè)置拉結(jié)筋的間距可以再加密一些，以避免圍護(hù)結(jié)構(gòu)出平面傾覆的發(fā)生。填充墻一方面提高結(jié)構(gòu)剛度、降低結(jié)構(gòu)自振周期，增加抗震能力；另一方面填充墻可以有效耗散地震能量，所以合理的填充墻布置對提高結(jié)構(gòu)的延性是有幫助的。

第七，加強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)。受力合理，傳力途徑直接。結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析能符合房屋結(jié)構(gòu)在地震中的實(shí)際表現(xiàn)，是結(jié)構(gòu)選型和布置首先要考慮的因素之一；避免破壞的連鎖反應(yīng)。當(dāng)一部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在地震中破壞時(shí)，不能導(dǎo)致整個(gè)體系喪失抗震能力。為此，設(shè)置多道防線是較好的辦法，即在一個(gè)體系中，由若干個(gè)分體系組成或具有盡可能多的內(nèi)部、外部贅余度。如框-剪結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)中連梁；具有必要的強(qiáng)度和變形能力；控制抗震薄弱部位；防止建筑構(gòu)件（隔墻、填充墻、幕墻、女兒墻、雨篷、陽臺、飄窗、天棚、附墻煙囪、高大櫥柜等）和建筑附屬機(jī)電設(shè)備（重型懸掛燈具、水箱、冷卻塔、高大天線、較大的穿墻管道洞口等）不合理布置對主體結(jié)構(gòu)的不良影響。

綜上所述，我們在今后的抗震設(shè)計(jì)工作中，應(yīng)該嚴(yán)格執(zhí)行工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，精心設(shè)計(jì)，一定要使我們設(shè)計(jì)的房屋成為安全的結(jié)構(gòu)。對此，我們?nèi)沃囟肋h(yuǎn)。

（作者供職于鐵嶺縣建筑設(shè)計(jì)院）