刍议钢筋混凝土框架结构抗震延性设计

【摘 要】随着社会生产的发展和城市化建设步伐的加大,多高层建筑发展迅速,其结构体系日趋多样化,建筑平面布置与竖向体形也越来越复杂,这就给多高层建筑结构的抗震分析和设计提出了更高的要求。本文介绍了多高层钢筋混凝土结构中常见的框架结构体系,提出了对抗震有利的结构延性设计的措施。通过对现代多高层框架结构抗震的分析了解,展望了其抗震技术的发展前景。

【关键词】钢筋混凝土；结构；抗震；设计

1 明确钢筋混凝土框架结构的抗震等级

影响水平地震作用及结构侧移大小的因素。首先，建筑场地类别，当建筑场地越软时，地震作用越大，房屋的侧移越大，反之越小。其次，地震烈

度越高时，地震作用越大，房屋侧移越大，反之越小。第三，建筑物高度越高时，地震作用越大，房屋侧移越大，反之越小。第四，建筑物的重要性越重要时，要求结构的可靠度越高，水平地震作用越大，房屋侧移越大，反之越小。为使抗震设计真正达到安全经济的目的，规范根据上述因素将丙类框架结构分为不同的抗震等级，见表1。

2 规范钢筋混凝土框架结构的抗震延性设计要点

2.1 “强柱弱梁”措施

首先，主要是通过人为增大柱相对于梁的抗弯能力，使塑性铰更多的出现在梁端而不是柱端，让结构在地震引起的动力反应中形成“梁铰机构”或“梁柱铰机构”，通过框架梁的塑性变形来耗散地震能量。其次，根据对构件在强震下非线性动力分析可知，强震下，由于构件产生塑性变形，因此可以耗散部分地震能量，同时根据杆系结构塑性力学的分析知道，在保证结构不形成机构的要求下，“梁铰机构” 或“梁柱铰机构”相对与“柱铰机构”而言，能够形成更多的塑性铰，从而能耗散更多的地震能量，因此我们需要加强柱的抗弯能力，引导结构在强震下形成更优、更合理的“梁铰机构”或“梁柱铰机构”。第三，框架结构的延性与塑性铰分布的部位有关。若梁中先出现塑性铰形成梁铰结构，则塑性铰分布较均匀，每个塑性铰所要求的弹性变形量也比较小，而且延性要求也较容易实现，若柱中出现塑性铰而形成柱铰结构，非弹性变形就集中在某一层的柱中，对柱的延性提出极高的要求，二者往往很难实现，且柱铰机构伴随较大的层间位移，这不仅引起不稳定的问题，还会引起结构承受偏心竖向荷载，导致整个结构的倒塌。在经受较大侧向位移时，未能确保框架结构的稳定性，并能维持它承受竖向荷载的能力，必须要求非弹性变形一般只限于梁内，即要求在设计荷载下节点上柱段截面极限弯矩的总和大于梁端极限弯矩总和。这就是所谓的强柱弱梁，既保证框架柱具有足够的抗弯承载能力储备，又大大减少柱段屈服的可能性。与国外规范相比，建议适当提高作用效应，以相对提高设计可靠性，同时对九度抗震设防区的框架结构应提出更高的延性要求。

2.2 强剪弱弯

首先，框架结构的延性与构件的破坏形态有关，框架的抗震设计应遵循强剪弱弯的设计原则，以减少在非弹性变形时发生剪切破坏的可能性。

其次，框架结构的强剪弱弯设计原则主要是有设计剪力的计算、抗剪承载力计算公式的选取以及必要的构造措施来实现。实际建立的计算与抗弯承载力的计算相类似，按抗震等级不同采用地震效应调整系数，但较抗弯承载力计算更严格，以相对提高抗剪承载力。

第三，为减少框架梁柱在非弹性反应趋于发生剪切破坏的危险，梁柱端部的设计剪力应与梁柱端部形成塑性铰后的极限抗弯强度相对应，抗剪计算公式的选取主要表现为考虑地震作用的反复性及剪切问题的离散性，采用在纵筋屈服后的偏下限抗弯承载力计算公式，并辅以抗震构造措施。与抗弯承载力的计算相类似，抗剪计算一方面需增大结构设计的可靠度(提高作用效应)，而且更为重要的是应根据结构延性要求的不同，即抗震等级的不同，提出不同的抗剪承载力计算公式。

第四，在加载初期，混凝土承担大部分剪力，箍筋起次要作用。随着构件交叉裂缝形成和发展，混凝土的作用逐渐下降，箍筋起主导作用。这是因为反复加载次数的增加，核心区混凝土裂缝大大开展，从而减小受剪区混凝土的抗剪能力，另外因混凝土反复张合，导致剪切铰合面粗糙程度的降低，削弱了骨料间的咬合作用，由于反复加载次数的增加，构件刚度逐渐退化，柱两侧的混凝土逐渐压溃、剥落而退出工作，导致混凝土抗剪面积的减少，从而削弱抗剪能力。而受压区混凝土保护层的剥落及塑性铰区较大的非弹性变形，加速了斜裂缝的发展，削弱抗剪能力。同时，非弹性循环变形过程减少了构件在给定方向上所能承受的最大非弹性变形，也就是说，抗剪承载力退化随所要求延性系数的增加而加剧，构件的非弹性变形量与循环加载次数有关。

第五，用剪力增大系数增大梁端、柱端、剪力墙端、剪力墙洞口连梁端以及梁柱节点中的组合剪力值，并用增大后的剪力设计值进行受剪截面控制条件验算和受剪承载力设计，以避免在结构出现脆性的剪切破坏。

2.3 强节点，强锚固

为保证框架结构的延性，在梁铰机构充分发挥作用以前，框架节点纵筋锚固不应过早破坏，框架节点破坏主要是因为节点处核心区箍筋数量不足，在剪力和压力的共同作用下，节点核心区混凝土出现斜裂缝，箍筋屈服至拉断，柱的纵筋被压屈以至拉断而引起的，故规范通过保证核心区混凝土强度及配置足够数量的箍筋来防止节点核心区的过早剪切破坏。而强锚固要求则通过在静力设计锚固长度的基础上叠加一定的抗震附加锚固长度，利用钢筋锚固段的机械锚固措施来实现的。

3 钢筋混凝土建筑结构抗震延性设计构造措施

3.1 轴压比与纵筋最大配筋率

合理的受力特征可明显提高构件延性，为实现受拉钢筋的屈服限于受压混凝土压碎的破坏形式，以提高塑性铰区域的转动能力，规范限制轴压比及纵筋的最大配筋率，同时对混凝土受压区高度也提出相应要求。

3.2 约束箍筋及配筋形式

为保证强柱弱梁、强剪弱弯的设计原则及塑性区域的局部延性，有必要加密塑性区域内的箍筋间距。这不仅可提高柱端抗剪能力，还可约束核心区混凝土，对纵向钢筋提供侧向支持，防止大变形下纵筋压屈，从而改善塑性区域的局部延性。规范对约束箍筋的最小直径、最大间距、塑性铰区域的最小长度都做出了详细规定，并对箍筋肢距及箍筋形式提出了相应要求。

3.3 材料要求

材料延性对确保构件延性极为重要，为此规范对材料也提出相应限制，如保证钢筋屈服强度实测值与抗拉强度实测值的比值、伸长率及混凝土强度等级，同时对施工过程中可能出现的钢筋代换也提出相应限制。

3.4 梁柱等构件延性的影响因素

影响因素主要是混凝土极限压应变和破坏时的受压区高度。同时对于梁而言，无论是对不允许柱出现塑性铰（底层柱除外）的方案，还是允许柱出现塑性铰但控制其出现时间和程度的方案，梁端始终都是引导出现塑性铰的主要部位，所以都希望梁端的塑性变形有良好的延性和良好的塑性耗能能力。因此除计算上满足一定的要求外，还要通过的一系列严格的构造措施来满足梁的这种延性。

4 结束语

综上所述，在我国现在的多高层建筑中,钢筋混凝土框架结构作为应用最普遍的结构形式，其结构抗震的本质就是延性,提高延性可以增加结构抗震潜力, 增强结构抗倒塌能力。设计人员在合理体现框架结构的延性设计时，应适当增大作用效应以提高结构设计的可靠度，提高建筑物的抗震性能，框架这种结构形式的发展前景就会更加广阔了。