淺談框架結構抗震設計要點分析

史衛平

摘 要：建筑結構的抗震設計有著較早的起源，抗震理論也在不斷的完善。框架結構相對于其他建筑結構表現出的較好的抗震性能也不斷的得到了驗證，但根據近年的地震災害總結，框架結構在地震中依然有需要改進之處。根據實踐總結，其結構中的梁柱設計強柱弱梁等要點使其更利于抗震和降低震害中的破壞。框架結構設計合理化與可靠度提高是在震害中保證人民財產生命安全的重要手段，也是要不斷發展和研究的重要課題。

關鍵詞：框架；結構；抗震；

1、框架結構抗震設計的一般原則

1）強柱弱梁

強柱弱梁是為了實現在罕遇地震作用下，使框架結構塑性鉸出現在梁端的設計要求。用以提高結構的變形能力，防止在強烈地震作用下倒塌。由于地震作用的復雜性以及構件之間的相互影響，難以通過精確的計算實現強柱弱梁。規范要求，采用增大柱端彎矩設計值，即提高柱端的彎矩增大系數的方法來實現強柱弱梁。人為增大柱子相對于梁的抗彎能力，誘導在梁端出現塑性鉸，從而達到強柱弱梁的要求。實現強柱弱梁不僅在于內力調整，更在于按調整后的設計內力來配筋，使構件

的實際承載力與設計內力相近。當建筑許可時，盡可能將柱的截面尺寸做得大些，使柱的線剛度與梁的線剛度的比值盡可能大于 1，并控制柱的軸壓比滿足規范要求，以增加延性。梁端縱向受拉鋼筋的配筋不得過高，并應考慮板內負筋影響，考慮雙筋作用，以免在罕遇地震中進入屈服階段不能形成塑性鉸或塑性鉸轉移到柱上。注意不可隨意超配筋，超配筋要整體保持一定比例。注意節點構造，讓塑性鉸向梁跨內移。

2）強剪弱彎

使鋼筋混凝土構件中與正截面受彎承載能力對應的剪力低于該構件斜截面受剪承載能力的設計要求，用以改善構件自身的抗震性能。強剪弱彎是保證構件延性，防止脆性破壞的重要原則，它要求人為加大各承重構件相對于其抗彎能力的抗剪承載力，使這些部位在結構經歷罕遇地震的過程中以足夠的保證率不出現脆性剪切失效。對于框架結構中的框架梁應注意抗剪驗算和構造，使其滿足相關規范要求。應合理選擇梁柱截面尺寸、配置縱向鋼筋和箍筋，避免剪切破壞先于彎曲破壞、混

凝土的壓潰先于鋼筋的屈服、鋼筋錨固粘結先于構件破壞。適當增加抵抗剪切力的鋼筋可以有效防止梁、柱在彎曲屈服之前出現剪切破壞。考慮地震力引起的剪力方向性，不能采用彎筋抗剪，箍筋提高抗剪承載力的同時，會對壓區混凝土形成環向約束，提高其抗壓承載力和截面延性。

3）強節點弱構件

這是為了提高結構整體性。各構件之間的連接，必須可靠，符合下列要求： 構件節點（ 主要是梁柱節點） 的承載力不應低于其連接構件的承載力，當構件屈服、剛度退化時，節點應保持承載力和剛度不變。予埋件的錨固承載力不應低于連接件的承載力，裝配式的連接應保證結構的整體性，各抗側力構件必須有可靠的措施以確保空間協同工作。強節點弱構件是通過增大節點核心區的組合剪力設計值進行計算。一、二、三級抗震等級的框架進行節點核心區抗震受剪承載力計算； 四級抗震等級的框架節點核心區可不進行計算，但應符合抗震構造措施的要求。

2、框架結構抗震設計要點

2. 1改善框架的抗震能力對框架結構的角柱進行強化。角柱是連接橫縱框架的關鍵，要增加框架結構的整體性，就需要增強角柱的抗剪能力。在外圍框架的平面內，設計一定數量的鋼筋混凝土墻板，這樣可以有效克服框架剪力滯后的情況，提高框架結構的整體性和抵抗推力的剛度，減少整體結構的側向移動，特別是層間的位移。但是，該結構的延性較差，如果人為地使之出現結構薄弱部位，形成延性的耗能墻板，則更加有效。

在結構中，通過增加偏交斜撐等多余的構件，用彎曲耗能的形式來代替軸變的耗能形式，可以利用鋼纖維混凝土桿來制造折曲支撐，剛心連接支撐，一般采用鋼桿或者勁性鋼筋混凝土桿構成。在強烈的地震中，可以利用這些贅余的桿件來實現先行屈服和形變消耗地震能量。當這些多余的構件因為形變而失去作用后，整體結構會發生穩定體系的變化，進而誘發建筑自振周期的改變，可以有效避免地震造成的建筑物的共振效應。

2. 2改善建筑的整體抗震能力

設計中，可采用機構控制達成總體屈服效果。在框架結構中的特定位置設置一定數量的塑性鉸，

實現對塑性鉸發生位置和形變程度的控制，使結構在地震時形成較好的耗能機構。在水平力的作用中，水平的構件比豎向的構件更先屈服，可平衡結構剛度和承載能力。在框架結構中，體積增大，剛度也會隨之增加。但會使得結構的自振周期變小，總體水平地震作用加大。反之，結構的剛度就會減小，地震力的作用也就變小。

2. 3基礎設計注意事項

在選擇地基基礎方案時，應從安全、合理和經濟等角度出發，充分利用地基土的承載力，盡量采用天然地基上的淺基礎。當淺層土質無法滿足強度、變形、穩定性要求時，可采用深基礎方案。

設計時應注意： 選擇合適的基礎埋深； 合理的基礎形式； 適當的基礎底面積，減少基礎偏心； 地基承載力和剛度要與上部框架結構的承載力和剛度相適應。底層內隔墻一般不用做基礎，可將地面的混凝土墊層局部加厚。

2. 4結構構造要求

梁的抗震構造措施：1） 梁截面尺寸： 為了防止梁發生斜裂縫破壞、斜壓型脆性破壞，框架梁截面尺寸必須滿足如下要求： 梁的截面寬度不宜小于 200mm； 截面高度與寬度不宜大于 4； 凈跨與截面高度之比不宜小于 4；2） 梁的配筋率： 梁的變形能力主要取決于梁端的塑性轉動量，而梁的塑性轉動量與截面混凝土受壓區相對高度有關。為了保證梁的變形能力，使框架結構具有較好的抗震性能，在考慮梁端受壓鋼筋的作用的情況下，梁端縱向受拉鋼筋的配筋率應能使梁端混凝土受壓區高度和有效高度之比滿足以下要求： 抗震等級為一級 x/h0≤0.25； 二、三級 x/h0≤0.35，同時，縱向受拉鋼筋的配筋率不應大于 2.5%。縱向受拉鋼筋的最小配筋率，抗震設計和非抗震設計有所不同，規范有明確規定。梁端底面和頂面縱向鋼筋的比率，同樣對梁的變形能力有較大的影響。規范要求，除按計算確定外，一級不應小于 0.5； 二、三級不應小于 0.3；3） 梁的箍筋： 試驗結果和震害經驗表明，梁端的破壞主要集中于 1.5 -2.0 倍梁高的長度范圍內，因此，在梁端縱筋屈服范圍內加密封閉式箍筋，對提高梁的變形能力十分有效。同時，為了防止壓筋過早壓曲，應嚴格遵照《抗震設計規范》限制箍筋的間距；4） 梁內縱筋的錨固和搭接： 在較強地震作用過程中，梁、柱截面中的縱向受力鋼筋可能處于交替拉、壓狀態下，根據試驗結果，這時鋼筋與其周圍混凝土的粘結錨固性能將比單純受拉時不利。

柱的抗震構造措施：1） 柱截面尺寸： 柱的平均剪應力太大，會使柱產生脆性的剪切破壞。平均壓應力或軸壓比太大會使柱產生混凝土壓碎破壞，為了使柱有足夠的延性，柱截面尺寸應符合以下要求：柱截面的寬度和高度均不宜小于 300mm，圓柱直徑不宜小于350mm； 柱截面長邊與短邊的邊長比不宜大于 3； 剪跨比宜大于 2；2） 柱的軸壓比： 限制框架柱的軸壓比主要為了保證框架結構的延性要求。試驗證明，受壓構件的位移延性隨軸壓力增加而減小。為滿足框架柱在地震作用組合下位移延性的要求，根據抗震等級不同，《建筑抗震設計規范》對軸壓比限值進行了規定，抗震等級一級為0.65，二級為0.75，三級為0.85； 建造于 IV 類場地且較高的高層建筑，柱軸壓比限值還應適當減小。不論采取何種約束措施，柱的軸壓比都不應大于 1.05；3） 柱縱向鋼筋的配置： 柱中縱向鋼筋宜對稱配置： 截面尺寸大于 400mm 的柱，縱向鋼筋間距不宜大于 200mm： 柱總配筋率不應大于 5%； 為了保證柱有足夠的延性，柱縱向鋼筋最小配筋率必須滿足規范要求。柱縱向鋼筋的綁扎接頭應避開柱端的箍筋加密區。縱向鋼筋的接頭，一級應采用焊接接頭；二級宜采用焊接接頭，而底層柱根應焊接； 三級可采用搭接，而底層柱根宜焊接； 直徑大干 32mm 的鋼筋必須采用焊接。在縱向鋼筋搭接區段內宜加密箍筋，防止縱向鋼筋的壓曲，增加粘結強度，箍筋的直徑和肢距視搭接鋼筋直徑大小而不同；4） 柱的箍筋： 在地震力的反復作用下，柱端鋼筋保護層往往首先碎落，這時，若無足夠的箍筋約束，縱筋就會向外膨出，柱端破壞。箍筋對柱的核心混凝土起著有效的約束作用，提高配箍率可以顯著提高受壓混凝土的極限壓應變，從而有效增加柱的延性。柱截面短邊尺寸大于 400mm 且各邊縱向鋼筋多于 3 根，或短邊尺寸不大于 400mm 但各邊縱向鋼筋多于 4根時，應設置復合箍筋。

3、結論

總之，框架結構雖然是抗震不利結構形式，但在多層和中高層建筑中應用非常廣泛，為避免地震時給人類帶來大的災難，要求結構設計人員能正確運用框架結構抗震概念設計，克服框架結構的弊端，運用科學有效的手段，確保建筑結構安全，從而實現建筑使用功能。