混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)探析

劉芳

摘要：一個(gè)優(yōu)秀的建筑設(shè)計(jì)師，必須充分重視建筑抗震設(shè)計(jì)技術(shù)，不斷地思考、總結(jié)和創(chuàng)新，并進(jìn)行深入系統(tǒng)的理論分析。只有開發(fā)合理而可靠的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論和方法，才能在建筑抗震設(shè)計(jì)中更好地發(fā)揮建筑設(shè)計(jì)師的應(yīng)有作用。本文分析了地震對(duì)混凝土框架結(jié)構(gòu)建筑物的破壞，探討了混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：框架結(jié)構(gòu)；混凝土；抗震設(shè)計(jì)方法

在混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，通過(guò)“強(qiáng)節(jié)弱桿、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)壓弱拉、強(qiáng)柱弱梁”四強(qiáng)四弱抗震措施的采取，實(shí)現(xiàn)混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防目標(biāo)，是混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的核心。在混凝土框架抗震設(shè)計(jì)兩階段設(shè)計(jì)中，在混凝土框架結(jié)構(gòu)方案布置符合抗震設(shè)計(jì)原則前提下，通過(guò)第一階段多遇地震作用下延性框架的設(shè)計(jì)，落實(shí)了混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要求，減輕了大地震對(duì)框架結(jié)構(gòu)的破壞作用，建立混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)抗震機(jī)制，最終可實(shí)現(xiàn)抗震設(shè)防目標(biāo)。

一、地震對(duì)混凝土框架結(jié)構(gòu)建筑物的破壞

1.混凝土框架結(jié)構(gòu)的承重體系是由梁板柱三種構(gòu)件組成的結(jié)構(gòu)體系。從施工角度來(lái)說(shuō)，這種結(jié)構(gòu)的施工速度是比較快的，也比較簡(jiǎn)易，而且在使用功能上也比較靈活。可以根據(jù)用戶的要求進(jìn)行隔墻布置，是一種比較實(shí)用的結(jié)構(gòu)體系。

2.地震使承重結(jié)構(gòu)承載力不足或變形過(guò)大，引起的框架梁﹑柱的破壞和填充墻的破壞、結(jié)構(gòu)喪失整體性的破壞和地基失效破壞。框架梁﹑柱的破壞主要反映在節(jié)點(diǎn)處。柱的破壞重于梁；柱頂?shù)钠茐闹赜谥祝唤侵钠茐闹赜趦?nèi)柱；短柱的破壞重于一般柱。混凝土框架結(jié)構(gòu)的磚砌填充墻遇到地震時(shí)破壞較為嚴(yán)重，一般7 度就出現(xiàn)裂縫。端墻、窗間墻及門窗洞口邊角部分裂縫最多，9 度以上填充墻大部分即會(huì)倒塌，原因是在強(qiáng)烈的地震作用下，框架的層間位移較大，因填充墻砌體的極限變形很小，在往復(fù)水平地震作用下，即產(chǎn)生斜裂縫甚至倒塌。混凝土框架結(jié)構(gòu)的變形為剪切型，下部層間位移較大，因此填充墻的破壞在房屋中下部幾層較嚴(yán)重。

二、混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法

1.應(yīng)重視框架梁柱節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，保證其具有滿足要求的承載力。

（1）框架節(jié)點(diǎn)是聯(lián)系梁柱的重要部件，只有節(jié)點(diǎn)具有了足夠的承載力，才能保證梁柱充分發(fā)揮其承載能力和變形能力，從而使整體結(jié)構(gòu)具有良好的抗震能力。因而建筑抗震規(guī)范從概念設(shè)計(jì)的角度規(guī)定了“構(gòu)件節(jié)點(diǎn)的破壞，不應(yīng)先于其連接的構(gòu)件”，同時(shí)也規(guī)定“一、二、三級(jí)框架的節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)，應(yīng)進(jìn)行抗震驗(yàn)算；四級(jí)框架節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)，可不進(jìn)行抗震驗(yàn)算，但應(yīng)符合抗震構(gòu)造措施的要求”及一些加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造要求。

圖1 框架節(jié)點(diǎn)破壞

（2）從大量震害實(shí)例來(lái)看，節(jié)點(diǎn)的破壞形式主要有： 節(jié)點(diǎn)區(qū)域混凝土被壓碎，箍筋斷裂或松脫，縱筋壓曲外鼓等（圖1） 。從目前的一些設(shè)計(jì)來(lái)看，很多設(shè)計(jì)人員并未重視對(duì)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中經(jīng)常出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)區(qū)域的抗剪能力不足、節(jié)點(diǎn)區(qū)域的箍筋實(shí)配梁少于計(jì)算量、節(jié)點(diǎn)區(qū)域的箍筋肢距或配箍率不滿足要求、節(jié)點(diǎn)區(qū)域的實(shí)際混凝土強(qiáng)度等級(jí)低于計(jì)算、梁柱的偏心距較大而未采取合理的加強(qiáng)措施等，這些都會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的承載力不足，使節(jié)點(diǎn)在地震中成為薄弱部位。設(shè)計(jì)中應(yīng)有針對(duì)性地對(duì)節(jié)點(diǎn)采取加強(qiáng)措施，在使節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)滿足有關(guān)規(guī)定的前提下，還宜適當(dāng)提高節(jié)點(diǎn)區(qū)域的配箍率和加密箍筋間距和肢距，加強(qiáng)箍筋對(duì)混凝土和縱筋的約束，進(jìn)一步提高節(jié)點(diǎn)的承載力和延性。

2.應(yīng)采取措施，避免結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)破壞。

（1）地震中，很多建筑結(jié)構(gòu)端部構(gòu)件破壞嚴(yán)重，甚至已局部倒塌。結(jié)構(gòu)平面端部的破壞一般由結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)引起，結(jié)構(gòu)在地震作用下的扭轉(zhuǎn)變形很難形成整體結(jié)構(gòu)的延性耗能機(jī)制，即使在設(shè)計(jì)時(shí)采取了保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件延性的構(gòu)造措施，整體結(jié)構(gòu)有可能仍不具有設(shè)計(jì)期望的延性。

（2）對(duì)于結(jié)構(gòu)的位移比，按規(guī)定樓層的豎向構(gòu)件最大彈性水平位移（或?qū)娱g位移），不宜大于該樓層兩端彈性水平位移（ 或?qū)娱g位移） 平均值的1.5倍。《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3）規(guī)定在考慮偶然偏心影響的地震作用下，樓層的豎向構(gòu)件最大彈性水平位移和層間位移與該樓層的平均值的比值，A、B級(jí)高度高層建筑、混合結(jié)構(gòu)高層建筑、復(fù)雜高層建筑不宜大于1.2，A級(jí)高度高層建筑不應(yīng)大于1.5，B級(jí)高度高層建筑、混合結(jié)構(gòu)高層建筑、復(fù)雜高層建筑不應(yīng)大于1.4。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，嚴(yán)格控制結(jié)構(gòu)位移比，使之滿足規(guī)范要求是非常必要的。

（3）眾所周知，由于地震作用的不確定性和地震作用中扭轉(zhuǎn)分量的實(shí)際存在，即使設(shè)計(jì)為平面簡(jiǎn)單、規(guī)則、對(duì)稱、荷載布置均勻的結(jié)構(gòu)，在地震中也會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，當(dāng)結(jié)構(gòu)第一自振周期Tt與平動(dòng)為主的第一自振周期T1比較接近時(shí)，說(shuō)明結(jié)構(gòu)的抗扭剛度偏小，結(jié)構(gòu)在地震中產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的可能性很大，當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)（ 包括多層結(jié)構(gòu)） 的周期比不小于0.90時(shí)，結(jié)構(gòu)在地震中極易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)破壞，為避免結(jié)構(gòu)在地震中產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)破壞，設(shè)計(jì)中仍應(yīng)采取有效措施提高結(jié)構(gòu)的抗扭剛度或提高結(jié)構(gòu)的抗扭承載能力。

3.提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)。為滿足框架柱軸壓比要求及避免框架柱截面尺寸過(guò)大，在抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中（尤其是高層結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中）常取框架柱的混凝土強(qiáng)度等級(jí)高于梁板的強(qiáng)度等級(jí)，有時(shí)高出幾個(gè)等級(jí)。高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)是十分復(fù)雜的任務(wù)，需要在每一個(gè)環(huán)節(jié)充分考慮，根據(jù)國(guó)內(nèi)一些工程實(shí)踐，較成熟的施工方法如下。第一，為滿足“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”的概念設(shè)計(jì)，節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土強(qiáng)度等級(jí)與柱相同。第二，先澆注高等級(jí)混凝土，后澆注低等級(jí)混凝土。第三，應(yīng)確定合理的配合比，嚴(yán)格控制施工配料，并在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控坍落度，加強(qiáng)對(duì)混凝土的養(yǎng)護(hù)，以防梁端高低等級(jí)混凝土交界處附近出現(xiàn)混凝土收縮裂縫。

4.截面尺寸不宜太小。第一，框架梁是框架地震作用下的主要耗能構(gòu)件，因此，梁特別是梁的塑性鉸區(qū)應(yīng)保證有足夠的延性。影響延性的因素有：梁柱剪跨比、梁柱剪壓比、柱軸壓比等。在地震作用下，梁端塑性鉸區(qū)保護(hù)層容易脫落，如梁截面高度過(guò)小，則截面損失比例較大。第二，框架柱是框架結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)力構(gòu)件，應(yīng)具有較高的承載能力和變形、耗能能力。而且，框架柱截面尺寸太小，箍筋不充分，柱的延性與抗震能力不足會(huì)導(dǎo)致脆性剪切破壞或柱頭壓碎。

地震所產(chǎn)生的地面運(yùn)動(dòng)有很大的隨機(jī)性，不同地點(diǎn)所發(fā)生地震的波形是完全不同的，從而它對(duì)建筑物所產(chǎn)生的作用是很不相同的。所以，抗震設(shè)計(jì)所考慮的地是不確定的，也不能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)，更難以確切地估計(jì)。因此，抗震設(shè)計(jì)必須留有較多的余地。正確合理地采取抗震構(gòu)造措施，能最大限度地減少地震損失，防止結(jié)構(gòu)脆性破壞與倒塌。

參考文獻(xiàn)：

[1]張志俊，論混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)[J].黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011

（2）.

[2]《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010.

[3]柳炳康. 荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法[M]. 武漢： 武漢理工大學(xué)出版社， 2011： 68-83.

[4]建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（ GB50011—2010） 統(tǒng)一培訓(xùn)教材[M].北京： 地震出版社，2010.