浅析框架结构延性抗震设计

ｊ母盔圆圈　建筑结构　浅析框架结构延性抗震设计　王少华　安徽建筑大学建筑设计研究院　安徽合肥　２３００２２　摘要：保证结构的延性是提高建筑抗震性能的重要措施，在地震区的结构都应设计成廷性结构，简述了钢筋混凝土框架结构在　地震作用下的耗能机理，并结合新的《建筑抗震设计规范》分别对框架结构的梁、板、柱及节点的廷性设计进行探讨，采用轻质高强的　填充墙来降低框架柱的轴压比，增加框架柱的配筋等级和数量均可提高框架结构的延性，同时对整个建筑的造价增加不多。　关键词：架柱；抗震；延性；设计　从图１中可知，轴力越大，柱子　框架结构延性的抗震性能在我国现有的多层、高层建筑中，钢筋混凝土　框架结构是最常用的结构形式。因为钢筋混凝土框架结构具有平面布置灵　活，可形成比较大的建筑使用空间，还具有足够的刚度、良好的延性。然而设　计不合理的框架结构在地震作用下会产生比较严重的震害。　一、工程简介　高层建筑的主体结构为钢筋混凝土框架一剪力墙结构，地上２３层，地下１　层。结构总高度８０．３ｍ，设防列度为８ｏ，丙类建筑。地下室内部剪力墙很少（可　忽略其作用），底层柱子计算长度４．６０　ｍ，柱子净高３．５０　ｍ，框架抗震等级为一　级，剪力墙抗震等级为一级。下面，笔者针对该工程底层框架柱延性抗震设计　思路进行详细的分析。　二、影响结构延性的主要因素　框架结构是由梁、板、柱以及节点四个部分组成，其中梁、柱以及节点的　延性决定了整个框架结构的延性。因此，只要保证柱、梁和节点的延性就可以　保证框架结构的延性，从而确保框架结构的抗震能力。　粱是框架结构中的主要受力构件之一，在抗震设计中要求塑性铰出现在　梁端且又不能发生剪切破坏。同时，还要防止由于梁筋屈服渗入节点而影响　节点核心区的性能。试验和理论分析表明，影响梁截面延性的主要因素如下。　１梁截面要求　梁宽不宜小于柱宽的１／２，且不三２００。梁的高宽比不宜＞４，梁的跨高比　不宜＜４。　２粱纵筋配筋率　通过限制受拉配筋率可以避免剪跨比较大的梁在未达到延性要求之前，　使梁端下部受压区混凝土过早达到极限压应变而遭受破坏。　３．粱纵筋配置　粱端截面上，纵向受压钢筋与纵向受拉钢筋保持一定比例。　４梁端箍筋加密　抗震规范对此出了详细规定。　柱是框架结构中主要的受力构件，要想提高框架结构的抗震性能，就必　须确保构件有足够的延性。构件延性好的框架结构能吸收较多的地震能量，　抗震性能就好。因此，在进行框架结构设计时，应遵循强柱弱梁的设计原则，　使塑性铰出现在梁端，以增强构件的延性。节点是框架梁柱构件的公共部分，　节点的失效就意味着与之相连的梁与柱同时失效。所以，对节点也应予以足　够的重视。　三、延性设计　延性设计主要是利用结构、构件自身的延性耗能能力来抵抗地震作用，　也可以说是通过对结构允许出现塑性铰的部位进行专门的延性设计。使基于　多遇水准地震作用的设计能够满足经历更大的地震，继而避免发生灾难性破　坏。经过初步建模运算，该工程底层地下室大部分框架柱受力较大。因特殊　使用要求，不能再增大柱子截面，也不能通过增加柱子数目和剪力墙数目　来调整轴压比。ｍ于安全性考虑，可以利用构造措施。通过对柱端进行延性　设计来保证柱端的延性能力，达到“小震不坏，中震可修，大震不倒”的设防　目标。　１轴压比上限控制　对于框架柱，轴压比是影响柱子受力性能的一个很重要的方面。控制柱　子轴压比上限值可以保证柱端塑性铰区具有必要的延性能力。　柱子的轴力在地震时是会变化的，既受竖向荷载影响，又受水平荷载影　响。而轴力变化会引起柱子的瞬时的弯矩曲率关系发生变化，如图１所示。　・８０・　越容易处于小偏压受力状态。而小　偏心受压破坏时，受拉钢筋没有屈　服，甚至受压钢筋也没屈服，这种　‘—、　破坏是没有延性的。在抗震设计　喝麓　时，应予以避免。所以，轴压。比：　＼　１　＝月　ｂｈ（１）　这对柱子延性能力的发挥有很　骚　大影响。因此，要控制柱子中的轴压　比不能太大，影响柱端延性能力的　—１／心受拉　　发挥。该工程在柱子截面大小和数　目上均受到限制的条件下，通过式　图１对称配筋柱子Ｍ—Ｎ关系　（１）可知，可以考虑选择适当的混凝土强度等级，或者改变传力路径，使柱子受　到的力更小。　２控制剪跨比　剪跨比的大小决定了荷载作用下框架柱的破坏模式：当剪跨比＞２时，框　架柱在水平荷载作用下，一般发生延性较好的弯曲破坏；　剪跨比＜２时，　架柱变为短柱，在水平荷载作用下，一般均发生剪切破坏。此时，受拉钢筋还　没有屈服，而受压区的混凝土在较大的复合应力状态下压溃，从而发生脆性　破坏。剪跨比对构件的延性也有一定的影响，随着剪跨比的增大，混凝土框架　柱的破坏形态由剪切破坏转变为弯曲破坏，从而使构件的延性也有所增加。　该Ｔ程底层柱剪跨比为　：Ｈ　／（２ｈ）　３５００／（２　ｘ　６００）＝２．９２＞２，可以避免　发生脆性的剪切破坏。　３．合理布置柱端约束箍筋　实验及前期工程表明，配置箍筋较少的柱子常发生大范围的整体压溃，　呈现无延性破坏。根据这类破坏形态，只有沿柱高配置足够数量的箍筋后，才　能保证柱端塑性铰的形成。在外力作用下，柱端截面可能承受两个主轴方向　的外力，从而使混凝土全截面受损。因此，柱端就要有足够的箍筋约束。全截　面的配箍，加强了柱端核心区混凝土的约束，使受压混凝土的轴心抗压强度　和混凝土的受压极限变形能力有所提高，更不容易压溃，从而有利于柱端延　性能力的发挥。对于轴压比而言，既减小了轴压比，也对延性能力的发挥有　利。此外，箍筋也参与到了柱端的抗剪，有利于塑性铰在达到足够的塑性转动　能力时不发生非延性的剪切破坏，从而保证柱端的延性能力。因此，约束箍筋　越多，改善延性的效果越好。　该ｌＴ程由于柱子受力较大，在满足规范要求的前提下，可以考虑适当加　大箍筋的配筋率　积配筋率）来提高柱子的延性。　４合适的柱纵向钢筋的配筋率　纵向钢筋对塑性铰的形成及塑性变形能力的发挥至关重要，只有合适的　纵向钢筋的配筋率才能避免柱子发生无延性的小偏压破坏。因此，为＿『避免　地震作用下框架柱过早地进入屈服阶段，可增大屈服时柱的变形能力，提高　柱的延性和耗能能力。另外，全部纵向钢筋的配筋率不应过小。研究也表明，　柱廷陛会随着纵筋配筋率的增加而增大。因此，考虑到该工程的特殊使用要　求，可以在满足不超过最大配筋率的前提下，适当加大纵向钢筋的配筋率。　四、结语　钢筋混凝土框架结构具有良好抗震性能，结构抗震的本质就是延性，提高　延性可增加结构抗震潜力，增强结构抗倒塌能力，结构主要靠延性来抵抗较大　地震作用下非弹性变形，总结了结构延性在抗震设计中的重要性及其作用，影　响结构延性的主要因素以及结构延性的抗震设计。　建筑结构　参考文献：　［３】谭皓．陈朝娟．钢筋混凝土框架结构延性抗震设计分析卟上海建材，　［１］罗瑞琦　结构延性与抗震设计　（０４）　山西煤炭管理干部学院学报，２００２　２０１０（０３）　【４ｊ韦锋吴雪萍白绍良．中国钢筋混凝土结构抗震措施优化的思路及示例Ｕ］　天津大学学报，２００８（０８）　［２］陈庆国　钢筋混凝土框架结构的抗震延性设计ｌ『Ｉｌ产业与科技论坛，２０１０　（１１）．　（上接第７２页）规范也只有构造要求而不要求进行抗震计算；金属幕墙和高　级装修材料具有较大的变形能力，国外通常由生产厂家按结构体系设计的变　４、结束语　形要求提供相应的材料，而不是由非结构的材料决定结构体系的变形要求；　如今的建筑行业发展越来越快，对建筑物抗震结构的要求也越来越高。　对玻璃幕墙，《建筑幕墙》标准中已规定其平面内变形分为五个等级，最大为　应该充分做好对地震灾害的有效防范，加强建筑结构的抗震性能，保护人们　１／１００，最小为１／４００。　的财产安全，在地震等灾害来临时将损失降到最低。对非结构构件的抗震设　３、非结构构件的抗震设计展望　计非常重要，可以减缓地震引起的墙体开裂及设备产生的破坏现象。提高建　筑的整体质量和安全性，对建筑行业起着重要的作用，对我国的经济发展有　根据相应的非结构构件在建筑抗震中的作用进行数据计算，采用等效测　着重要的意义。　力法水平地震作用进行计算，计算出非结构构件的中心水平地震的标准值。　参考文献：　从而针对性的采取非结构构件的抗震设计。由于楼面反应主体结构的自振　『１］孙敏，白杨，李大望，牛勇．基于不同摩擦系数水平的滑移隔震体系的相对输　周期的谱值相对比较大，所以非结构构件容易产生共振现象，从而地震时　入能量与绝对输入能量的差异性分析Ⅱ１国际地震动态，２００７（１７）．　会引起危险。因此，在对非结构构件的抗震设计是应考虑到这个因素，否则　【２】杨晓明，陈成意，丰定国基于能量的抗震设计方法市阻尼耗能的研究『Ｃ】．山　会极大程度的降低抗震效果，在地震来临时会造成很严重的影响，带来极大　东建筑学会建筑结构专业委员会、山东土木工程学会工程设计及电算专业委　的损失。　员会２００６年学术交流会论文集，２００６．　（上接第７４页）起控制作用。　安全度，弥补了单框架在强震情况下结构整体的抗震能力差的不足。本工程　表１（单位：力一ｋＮ弯矩一ｋＮ・ｍ住移一ｍｍ）　主厂房Ｂ列柱截面适当增大为７００×１８００（８００×１８００），Ｃ列柱截面为７００×　内力及变形　地震作用下　风荷载作用下　１６００（８００×１６００），全截面配筋率小于３．Ｏ％，轴压比控制在０．７３以下。　ｘ方向　Ｙ方向　Ｘ方向　Ｙ方向　最大反应力　７７４．８　９６１．３　４７３．９　９８７．５　４结束语　最大剪力　２３４７．３　２８４０．３　２４６０．１　５２９１．７　综上所述，本工程在充分满足工艺专业布置的前提下，通过对主厂房空　最大弯矩　６６３９４．５　８０９４３．４　７３８８４．８　１６９７５８．４　最大位移　２３．７　ｌ９．Ｏ　２６．２　３８．８　间结构计算及纵、横两个方向的平面结构体系进行内力分析，满足结构强度、　最大层间位移角　１／１６８０　１／１４８９　１／１８２０　１／８３８　稳定、变形及抗震等的计算要求。利用提高抗震构造措施、增大柱截面、降低　轴压比等途径来保证结构安全度。故建议本工程主厂房采用汽机房与煤仓间　优化梁柱断面后，适当增大框架梁柱断面，降低了轴压比，提高了结构的　构成的现浇钢筋混凝土多层单跨框排架结构形式。　（上接第７５页）测，对于出现变形等质量问题时，应及时进行检测评估并在必　【２］由丽雯，刘文生．考虑附加应力的采动沉陷区建筑物设计Ⅱ］．辽宁科技大学　要和可行情况下进行加固处理，以确保建筑物的使用可靠性，确保使用安全。　学报．２０１　１（０３）　参考文献：　［３］Ｎｇ，姜振泉，雷娟，李彦彬．深部开采煤层底板采动变形破坏规律研究ⅡＪ矿　［１１４￣智超，李胡．采动区建筑物的保护措施研究　山西建筑．２０１１（０４）　业安全与环保２０１３（０￣　（上接第７９页）　从结果来看，拱肋的最大位移均发生在跨中位置，且东西　表６　Ｂ方案拱ｎ１控制点内力及截面应力　拱脚的位移值基本相等，东西１／４位置的位移也基本相等，说明栈桥拱肋结构　控制点　轴力／ＫＮ　剪力／ｌ（Ｎ　顺桥向弯矩／ＫＮ・ｍ　核心混凝土截　的对称性比较好；北侧拱肋的位移略大于南侧相应位置拱肋的位移，一是由　位置　钢管　混凝土　钢管　混凝土　钢管　混凝土　面应力／　ａ　于北侧桥面以钢结构为主，密度大于南侧混凝土桥面板，二是由于输油管线　东侧拱脚　一４５３．９　—２５１３．１　—１８．６　—１５３．５　３１．６　８６．２　７．００　荷载稍偏向北侧，但是偏离不大；在满载作用下，上拱肋与下拱肋各控制点位　东侧１／４　－５６９．５　３１５３．ｉ　４．０　３１．２　—１０．８　２９．５　７．０８　移仍能很好的保持一致，说明拱桁架的结构设计尤其是腹杆设计合理；Ａ方案　跨中　一４７５．３　—２６３１．２　—７．５　２９．５　—１５．６　—４２　６　６．２９　与Ｂ方案相比，拱肋上相应位置的位移值都要略小一点，但整体差异不大，满　西侧１／４　—５６６．５　—３１３６．４　—４．０　—３１　１　—１０．６　—２８．８　７．Ｏ３　载作用下两种方案下的拱轴曲线仍能基本重合，说明输油管线满载作用下栈　西侧拱脚　一４５４．３　—２５１４．９　ｌ８　３　１５１．７　３１．３　８５．２　７．００　桥仍然处于弹性工作阶段，这种情况下用统一理论与双节点两种有限元方法　表７　Ｂ方案拱ｓ１控制点内力及截面应力　计算分析效果是相同的。内力见表４—７。　控制点　轴力／ＫＮ　剪力／ｉＮ　顺桥向弯矩／ＫＮ・ＩＩＩ　核心混凝土截　表４　Ａ方案拱ｎ１控制点内力及截面应力　位置　钢管　混凝土　钢管　混凝土　钢管　混凝土　面应力／ＭＰａ　东侧拱脚　一４９３．２　２７３０．４　—１７．６　—１４５　１　２８．６　７７．９　８．０９　控制点位置　单元编号　轴力／ＫＮ　剪力／ｌ（Ｎ　顺桥向弯矩／ＫＮ・ｍ　截面应力／ＭＰａ　东侧１／４　—５８９．３　—３２６２．４　４．２　３３．２　—９．８　—２６．５　７．２８　东侧拱脚　３０６　—２９５２．９　—１８３．８　１３８．４　８．７０　跨中　一４８７．８　２７００．７　—８．１　—６４．５　一ｌ５．２　—４１．５　６．４０　东侧１／４　３５０　—３９４５．８　—３５．０　－３６．４　８．６ｌ　西侧Ｊ／４　—５８６．３　—３２４５．８　—４．２　—３３．１　—９．５　－２８．９　７．２３　跨中　３９０　—３２６０．２　—６３．３　－５７．２　７．６３　西侧拱脚　一４９２．７　—２７２７．５　１７．４　１４３．９　２８．４　７７　４　８．１Ｏ　西侧１／４　４３４　—３９２１．０　３５．２　—３５．２　８．５４　西侧拱脚　３０７　—２９５７．８　１８２　１　ｌ３７．１　８．６８　５结论　表５　Ａ方案拱ｓ１控制点内力及截面应力　由此可见，模拟钢管混凝土拱桥时，两种方法得到的结果十分相近，在缺　少准确的材料本构关系时，统一理论的建模方案并不可行，应用同节点双单　控制点位置　单元编号　轴力／ＫＮ　剪力／ＫＮ　顺桥向弯矩／ＫＮ・ｍ　截面应力／ＭＰａ　元的模拟方法代替，建模简单方便，且结果可信度高。在进行实际工程的设计　东侧拱脚　３１２　—３１９７．０　—１７０．１　１２５．１　１Ｏ．０５　与分析时，如确定桥梁方案阶段或是对桥梁进行初步检测时，可使用同节点　东侧１／４　３５１　—４０３２．９　—３８　６　—３１．９　８．６６　双单元的模拟方法，对于提高工作效率有着更为深远的意义。　跨中　３９１　—３３３４．２　—６９．０　—５５．５　７．７５　参考文献：　西侧ｉ／４　４３５　—４００９．９　３８　７　—３１．２　８．６０　西侧拱脚　３１３　—３１９３．４　１６８．３　１２４．０　１０．０７　【１陈宝春ｌ１Ｊ钢管混凝土拱桥设计与施工．北京：人民交通出版社．１９９９：４６—８７　［２】顾安邦主编桥梁工程（下册）．北京：人民交通出版社．１９９９：１９０—２１２　・８１・