鋼筋混凝土結構變形能力的研究

【摘要】針對鋼筋混凝土結構應具有必要的剛度滿足層間位移角限值的要求。本文分析了RC結構各類體系的彈性和彈塑性層間位移角，并研究了相應結構的剛度及變形能力。對實際工程中遇到的各類結構體系，指出了如何控制結構的層間位移，增大結構的側向剛度，使其具有足夠的抗變形能力。

【關鍵詞】變形能力；剛度；層間位移；結構體系；變形成分

1、引言

改革開放以來，隨著我國大規模城鎮化建設的加速推進，房地產業的快速發展，各種結構體系的鋼筋混凝土結構得到廣泛應用。RC結構包括框架、框架-剪力墻、剪力墻、筒體等結構體系，各種結構在工程合理應用中，要做到安全適用、經濟合理、力學模型和概念設計的科學合理性；同時，隨著時代的進步，各種高層建筑結構的高度越來越高，高寬比的增大，結構的剛度也越來越小。在正常使用條件下，高層結構應具有足夠的剛度，滿足舒適度的要求，避免產生過大的位移而影響結構的承載力及穩定性。RC結構體系不但要具備必要的強度，也要具備良好的延性或剛度，因此完全有必要開展RC結構變形能力及抗震性能研究。

2、彈性層間位移角

層間位移角是控制結構整體剛度和不規則性的主要指標。依據國內外大量的試驗研究和有限元分析結果，以框架柱、抗震墻等抗側力構件開裂時的層間位移角作為彈性層間位移角限值。在風荷載或多遇地震作用下的層間位移角，不扣除整體彎曲轉角產生的側移，可不考慮偶然偏心的影響。限制建筑物，特別是高層建筑的層間位移角主要目的有兩點：一是保證主體結構基本處于彈性受力狀態，避免混凝土剪力墻、框架柱受力構件出現裂縫或控制連梁、框架梁等樓面結構構件的裂縫超過規范允許的范圍；二是保證填充墻和各種管線等非結構構件完好，避免產生明顯的損傷。

在風荷載或水平地震力作用下，框架結構的變形形態為剪切型，帶有剪力墻或筒體的框架-剪力墻、框架-核心筒等高層結構的變形形態為彎剪型，剪力墻結構的變形形態為彎曲型。各種類型的結構體系、主要抗側力構件的截面尺寸（框架梁、柱和剪力墻等）、RC構件的實際配筋及其徐變收縮和塑性內力重分布等是影響結構剛度大小的主要因素。由于不同的結構體系，側向剛度差異較大，隨著結構高度的增加，應按剛度由小到大的順序采用結構體系應用于各類結構中。

2.1 框架結構的彈性層間位移角

框架結構布置靈活、可形成大的使用空間、施工簡便且較為經濟，但其抗側剛度較小，耗能能力小，其側移較大。實際工程中，在6度、7度抗震設防的寧波、舟山等地區，多層商品住宅中往往采用框架結構，而小高層住宅中一般采用框架-剪力墻及剪力墻結構。風荷載或多遇地震作用下的框架結構彈性層間位移角限值為1/550；在彈性階段，梁的彎曲變形引起的層間位移所占的比例較大，要考慮柱子彎曲變形引起的層間位移成分，但可以忽略梁和柱的剪切變形引起的層間位移的影響。

2.2 以剪力墻為主要抗側構件的結構體系的彈性層間位移角

高層建筑RC結構要對豎向承重結構的形式進行選擇。隨著建筑行業的快速發展，建筑高度越建越高，為了滿足建筑物高度和層數增加時對剛度的需求，逐步采用整體剛度越來越大的框架-剪力墻、剪力墻結構、框架-筒體、筒中筒結構等。框架-剪力墻結構具有框架結構和剪力墻結構各自的優點；剪力墻結構剛度大、側移小、室內墻面平整，但平面布置不夠靈活、結構自重較大、造價較高，適合在高層旅館和高層住宅中采用。筒體結構側向剛度大，整體性強，筒體結構中的核心筒剪力墻和一般框架-剪力墻的剪力墻不同，由于剪力墻組成筒體，筒體的側向剛度更大，變形能力更強，適合在更大高度的超高層建筑中使用。從《抗規》5.5.1條可以看出，水平力作用下的框架-剪力墻、框架-核心筒彈性層間位移角限值為1/800，剪力墻結構、筒中筒結構則為1/1000，即結構的側向剛度越大，相應的層間位移角限值越嚴。

3、彈塑性層間位移角

限制結構的層間彈塑性位移角，主要是為避免結構在大震作用下的倒塌。結構層間彈塑性位移角的最大值一般出現在薄弱層部位，因此，結構彈塑性變形驗算本質上就是對結構薄弱層部位的彈塑性變形驗算。

在框架-剪力墻結構中，當有足夠的剪力墻時，剪力墻是結構的主要抗側力構件，是結構抗震的第一道防線，在設防地震、罕遇地震作用下先于框架破壞；其框架部分是次要的抗側力構件，屬于結構抗震的第二道防線。罕遇地震作用下的框架結構彈塑性層間位移角限值為1/50，框架-剪力墻、框架-核心筒結構則為1/100，剪力墻結構、筒中筒結構則為1/120。

4、工程實例小結

在實際工程中，對建筑結構的整體側向剛度控制，主要通過控制結構的側向位移來實現。側向位移小，則結構的側向剛度較大。對結構側向剛度的控制，實際上是對構件截面大小、結構剛度大小的宏觀控制；而混凝土強度、豎向分布鋼筋配筋率的增加，對結構的變形能力也逐漸有利。在結構設計中，應控制薄弱層部位的剛度，使其既有足夠的抗變形能力，又不使薄弱層位置發生轉移，達到提高結構總體抗震性能的目的。

在梁-柱（墻）組合體試件為剛性的常規結構體系中， 節點區無任何位移和內部變形，不考慮核心區變形引起的變形成分對層間位移的影響；當層間位移角限值不滿足規范時，建議加大柱、剪力墻截面尺寸，其改善效果相對明顯，同時體現了“強柱弱梁”的設計原則，增強了柱抗彎能力。而在大型工業廠房的框架結構與有轉換梁的高層結構中，由于存在非剛性的異型梁-柱（墻）組合體試件，在進行“罕遇”地震作用下彈塑性分析時要充分考慮節點核心區剪切變形的變形成分對層間位移的影響，故工程師在設計此類結構時，應使經過PKPM等結構分析軟件的力學模型其層間位移角的計算結果比規范中限值盡量小多些，使其保持一定的安全儲備，使實際層間位移角能滿足規范限值要求。

在高層框架-核心筒結構設計中，當抗側力剛度不能滿足設計要求時，通常可設置避難層和設備層以控制結構位移。加強層的引入，不但可以增大結構抗側剛度，控制結構位移，還可以調節傾覆彎矩在核心筒和外框之間的分配比例，降低核心筒傾覆彎矩。

隨著高層建筑結構高度的增加，結構的側向剛度越來越小，周期越來越長，結構在水平力作用下的整體穩定逐步成為其設計的主導因素之一。當高層結構超過一定高度后，地震作用和風荷載引起的層間位移限值將可能不對結構剛度起控制作用，而結構的整體穩定成為結構剛度控制的主導因素，結構剛度雖能滿足層間水平位移限值，但有可能不滿足整體穩定要求。故在實際工程設計中，結構工程師在執行規范相關條文時，一定要充分重視。

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