淺析框架結構延性與抗震設計

張云

摘 要:簡單分析框架結構延性對抗震的重要作用以及影響框架結構延性的主要因素,幫助工程設計人員理解我國規范對抗震混凝土結構使用的“能力設計”思路,即“強柱弱梁,強剪弱彎,強節點弱構件”的設計原則。

關鍵詞:延性抗震設計框架結構

中圖分類號:TU7 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)05(c)-0041-01

1 引言

在我國目前的多高層建筑中,鋼筋混凝土結構應用最為普遍。其中鋼筋混凝土框架結構因具有強度高、整體性好以及良好的延性,目前已成為廣泛用于地震設防地區的最普遍的結構形式。框架結構抗震設計是結構設計的重要內容,抗震的實質是結構延性,因此延性是抗震設計中的一個重要概念。提高延性可以增強結構遭遇罕遇地震時的抗倒塌能力。結構主要靠延性來抵抗較大地震作用下的非彈性變形。增強結構延性是提高建筑抗震性能的重要措施。因此,地震作用下,結構的延性與結構的強度具有同等重要的意義。以下筆者將對延性在抗震設計中的作用以及影響框架結構延性的主要因素做簡單闡述。

2 框架結構延性的作用

鋼筋混凝土框架結構具有良好的抗震性能,然而未經合理設計的框架結構會在地震作用下產生較嚴重的震害。所謂延性,是指構件和結構屈服后,在承載能力不降低或基本不降低的情況下,具有足夠塑性變形能力的一種性能。對于受彎構件來說,隨著荷載增加,首先受拉區混凝土出現裂縫,表現出非彈性變形。然后受拉鋼筋屈服,受壓區高度減小,受壓區混凝土壓碎,構件最終破壞。從受拉鋼筋屈服到壓區混凝土壓碎,是構件的破壞過程。在這過程中,構件的承載能力沒有多大變化,但其變形的大小卻決定了破壞的性質。延性結構通過塑性鉸區域的變形,能夠有效地吸收和耗散地震能量;同時,這種變形降低了結構的剛度,致使結構在地震作用下的反應減小,也就是使地震對結構的作用力減小。當結構設計成為延性結構時,由于塑性變形可以耗散地震能量,結構變形雖然會加大,但結構承受的地震作用不會很快上升,內力也不會再加大,因此具有延性的結構可降低對結構的承載力要求,也可以說,延性結構是用它的變形能力來抵抗罕遇地震作用;反之,如果結構的延性不好,則必須有足夠大的承載力來抵抗地震作用。

結構或構件的延性具有以下作用:

2.1 防止脆性破壞

脆性破壞是突然的、無明顯征兆的破壞,因此破壞的后果較嚴重。工程設計中應避免脆性破壞,應按塑性破壞的原則進行設計,使結構或構件具有一定的延性,保證結構或構件在破壞之前有足夠的變形能力,防止突然的脆性破壞發生。

2.2 對脆性構件起穩定作用

在實際建筑結構中,延性構件與非延性構件(脆性構件)往往是并存的。例如框架結構的長柱與短柱。實驗研究說明,在保證延性構件與非延性構件一定比例的條件下,延性構件對脆性構件起穩定作用,使結構有較好的變形能力而不致失效。

2.3 實現內力重分布

延性構件在強震作用下,隨著裂縫的形成和開展,某些臨界截面有一定的轉動能力,形成塑性鉸,改變了原有的超靜定狀態,結構中的內力分布不再服從彈性狀態,產生塑性內力重分布,從而使結構更符合實際內力分布。在保證極限承載力不變的條件下,利用塑性內力重分布規律,調整設計彎矩,減少梁支座配筋的密集程度,便于施工。

2.4 提高框架結構抗震性能

在我國,抗震設計的原則是:小震不壞,基本地震可修,大震不倒。地震作用時,延性結構通過塑性鉸區域的變形,能夠有效地吸收和耗散地震能量,同時,這種變形降低了結構的剛度,使結構在地震作用下的反應減小,即減小了地震力。因此,結構的延性措施增加了結構在大震下的變形能力,提高結構的抗震性能。

3 影響結構延性的主要因素

框架結構是由梁、板、柱以及梁柱節點組成的受力體系,其中梁、柱是抵抗地震力的主要構件。梁、柱通過節點形成整體,框架結構的延性取決于梁、柱及其連結節點。因此,只要保證柱、梁和節點的延性也就保證了框架結構的延性,從而也就確保了框架結構的抗震能力。

3.1 梁

框架梁是框架結構在地震作用下的主要耗能構件,因此梁、特別是梁的塑性鉸區應保證有足夠的延性。影響梁延性的因素主要有梁的剪跨比、截面剪壓比、截面配筋率、壓區高度比等。在地震作用下,梁端塑性鉸區混凝土保護層容易脫落,如梁截面寬度過小,則截面損失比例較大。所以一般框架梁寬度不宜小于 200mm。同時為了對節點核心區提供約束以提高其受剪承載力,避免梁側向失穩及確定梁塑性鉸區發展范圍分別要求梁寬不宜小于柱寬的1/2,狹而高的梁截面不利于混凝土的約束,梁的塑性鉸發展范圍與梁的高跨比有關,當梁的截面高度與凈跨之比小于4時,在反復受剪作用下交叉斜裂縫將沿梁的全跨發展,從而使梁的延性及受剪承載力急劇降低。所以框架梁凈跨宜大于梁截面高度的4倍,截面高寬比不宜大于4。試驗表明,當梁縱向受拉鋼筋配筋率很高時,在彎矩達到最大值時,彎矩——曲率曲線很快出現下降;當配筋率較低時,彎矩達到最大值后能保持相當長的水平段,因而大大提高了梁的延性和耗散能量的能力。

3.2 柱

框架柱是框架結構在地震作用下的又一主要耗能構件。影響柱延性的因素主要有柱的軸壓比、剪跨比、剪壓比等。軸壓比是影響框架柱抗震設計的破壞形態和變形能力的重要因素。軸壓比不同,框架柱將呈現兩種不同的破壞形態,即受拉鋼筋首先屈服的大偏心受壓破壞和混凝土受壓區壓碎而受拉區鋼筋未屈服的小偏心受壓破壞。框架柱應控制在大偏心受壓破壞范圍,以保證柱有一定的延性。不同結構體系、抗震等級等情況規范對柱的軸壓比限值有嚴格要求。剪跨比用于區分變形特性和變形能力,框架柱的剪跨比宜大于2,避免形成短柱。剪壓比用于限值內力,保證延性。

3.3 節點

框架節點主要是連結框架梁、柱以形成完整受力體系,共同發揮抗震作用。節點的延性主要受框架梁、柱影響,一般通過加強節點抗震構造措施來提高框架的抗震性能。在地震作用下為了使框架節點處于有利的受力狀態,宜使節點內及其周邊處的縱向受力鋼筋不進入屈服狀態。從構造上采取措施加強梁端截面的受彎承載力,迫使塑性鉸不是緊靠柱邊產生,而是離開柱邊一定的距離形成,這樣柱邊梁端縱向受力鋼筋不至于達到屈服,就可以推遲或防止梁端縱向受力鋼筋在節點核心區的滑移,改善節點在反復循環荷載作用下的剛度退化,保證正交梁對節點核心區的約束作用,使節點核心區始終處于彈性受力狀態,提高框架抗震的性能。

4 結語

延性決定了在地震作用時結構的抗震性能,因此在工程設計中應予以高度重視,通過“強柱弱梁,強剪弱彎,強節點弱構件”的設計原則來提高框架結構延性,提高結構的抗震能力。

參考文獻

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[2] 龔思禮,等.建筑抗震設計手冊.北京:中國建筑工業出版社,2002.

[3] 中國建筑科學研究院.混凝土結構設計.北京:中國建筑工業出版社,2003.