基于安全储备的钢筋混凝土框架结构抗震设计

金荣娟

基于安全储备的钢筋混凝土框架结构抗震设计

金荣娟

通过对钢筋混凝土框架结构的震害分析,分别从构件层次和结构层次对钢筋混凝土框架结构的延性抗震设计提出了应对措施,研究成果为钢筋混凝土结构抗地震倒塌的定量设计及计算分析提供了理论依据。

钢筋混凝土框架,抗震设计,安全储备

0 引言

建筑结构的抗地震倒塌能力是结构抗震性能的核心目标,建筑结构需要足够的抗倒塌安全储备,以避免大震或超大震的倒塌破坏。我国在唐山地震后就提出了“小震不坏,中震可修,大震不倒”的三水准抗震设防目标,并采用两阶段设计的方法。但目前我国现行抗震规范第二阶段抗地震倒塌验算一般仅针对少数重要建筑结构进行;而对大量一般房屋建筑,则主要依赖结构抗震概念设计和抗震构造措施,缺乏抗地震倒塌的定量计算方法和抗地震倒塌能力的定量评价指标。

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。

本文基于结构遭遇强烈地震时抗倒塌承载能力的安全储备和变形能力安全储备研究,通过对钢筋混凝土框架结构的震害分析,对钢筋混凝土结构的延性设计提出了应对措施。

1 结构的安全储备理论

结构是作为一个由各种构件所组成的整体系统来承受各种外界荷载作用的。现行规范大量篇幅用于对构件设计的定量化规定,而对结构体系的量化设计规定缺少明确要求,结构体系设计多依赖于设计人员的经验和水平。这一情况导致按现行规范设计的结构,其整体安全性能有较大差异,突出表现在结构在巨大地震作用下的抗倒塌能力的巨大差异。

设计合理的结构,其整体性能应优于局部单元(或构件)性能之和,如我国《抗震规范》贯彻的多道抗震设防理念,其目的就是使结构的总体性能大于局部之和的目标。而地震中大量出现的薄弱层破坏现象,由于局部楼层的破坏导致整体结构丧失功能,那些未破坏楼层构件的安全储备没有得到有效利用,则是不合理设计的典型代表。从上述分析可以看出,作为一个系统,结构的安全储备可分为“构件层次的安全储备”和“结构体系层次的安全储备”。

1.1 构件层次安全储备

构件层次的安全储备已经为各国工程人员所熟知,其一般性表达式为：γSS≤R/γR(1)

其中,S为作用效应;R为构件抗力;γS,γR分别为作用效应分项系数和构件抗力分项系数,根据我国规范经验,γS和 γR组成的构件安全储备大概在 2.6～2.8之间。

1.2 结构体系安全储备

结构体系是作为一个整体来抵抗各种外界作用的,安全的构件不代表安全的结构。在极端灾害荷载下整体结构的抗倒塌能力,则是“结构体系层次安全储备”的体现,因此可以作为评价结构体系是否合理的指标。

目前世界各国成功的抗震实践,就是在罕遇地震下承载力储备难以满足时,通过变形能力储备,利用延性来耗散地震输入的能量,避免了罕遇地震下结构的倒塌破坏。多层框架结构延性设计理论的基本概念如图 1所示,图 1中 R为强度折减系数;Ω为超强系数;μ为变形能力系数,其含义介绍如下：

强度折减系数 R：由于罕遇地震作用下的弹性基底剪力 Ve很大,结构如照此设计,经济代价太高,故需对 Ve/R适当降低(我国规范所采用的小震弹性设计承载力大约是大震弹性地震力的1/5.7),按R折减后的地震作用与其他荷载组合后,根据构件层次安全储备的要求,就得到构件设计结果。

超强系数 Ω：对于设计合理的实际结构,结构的整体抗震承载力是要高于小震弹性地震力的,这个结构实际抗侧能力和小震弹性设计承载力之间的比值就是超强系数 Ω,Ω即为结构的承载力安全储备。

变形能力系数 μ：当结构遭遇强烈的地震作用时,则需要通过构件的塑性变形去耗散地震能量。结构在强烈地震下的变形能力与屈服位移之比称为结构的位移延性系数 μ(或变形能力系数),μ即为结构的变形安全储备。

2 钢筋混凝土框架结构震害分析

近年来,国内外许多城市都发生了较为强烈的地震,震害的分析对不断提高钢筋混凝土框架结构的抗震设计具有十分重要的意义,诸多文献表明,钢筋混凝土框架结构的主要破坏有以下特征：

1)框架结构底层抗震能力薄弱,水平地震力作用下,由于底部柱体抗剪承载力不足而产生水平裂纹和斜裂纹,角柱的震害又较内柱大,混凝土局部压碎,发生剪切破坏,造成整体结构由于底层损伤的累积致使上部结构整体倒塌;

2)框架柱的上下柱端由于弯剪破坏出现水平裂缝和斜裂缝,混凝土局部压碎,柱端形成塑性铰;柱身由于剪切破坏多出现交叉斜裂纹;

3)框架梁由于在梁端屈服后产生的剪力较大,超过了梁的受剪承载力,梁内箍筋配置较稀,以及反复荷载作用下混凝土抗剪强度降低等因素所引起的;

4)框架梁柱节点的主要破坏原因是节点的受剪承载力不足,约束箍筋太少,梁端锚固长度不够以及施工质量差所引起的。

以上研究表明,柱角端的破坏是地震作用下结构最重要的震害形式,对于结构的加固有指导意义。同时底部结构破坏后,上部结构倒塌的过程中,框架梁柱节点因受剪承载力不足而发生了破坏,导致混凝土松散,整个结构垮塌。

3 提高构件层次安全储备的措施

框架结构包含梁、柱、节点等组成部分。梁、柱以及节点的延性决定了整个框架结构的延性,从而影响到整个框架结构的抗震能力。

3.1 梁构件

梁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首先出现在梁端并且不能发生剪切破坏,同时还要防止由于梁筋屈服而影响节点核心区的性能。试验表明,影响梁截面延性的主要因素有：1)梁截面尺寸,在地震作用下,梁端塑性铰区混凝土保护层容易剥落,梁截面宽度过小则截面损失比较大,不利于对框架节点的约束。为了提高节点剪力、避免梁侧向失稳破坏以及确定梁塑性变形的能力,框架梁宽必须满足一定的要求。2)梁配筋,配置一定数量的受压钢筋可以减小混凝土受压区高度,对梁的延性影响比较大。梁端塑性铰区段的加密箍筋可以约束混凝土,并约束纵向受压钢筋,防止它在保护层混凝土剥落后过早压屈,以保证梁端具有足够的塑性铰转动能力。

3.2 柱构件

在框架柱的设计中应该遵循“强柱弱梁”的设计原则,使塑性铰出现在梁端。影响框架柱延性的主要因素：

1)柱截面尺寸。为了保证框架柱有足够的延性,框架柱截面尺寸在两个主轴方向的刚度不宜相差太大。

2)截面形状。框架柱的截面形状,会直接影响框架柱截面界限破坏时钢筋和混凝土内应力应变的分布,影响混凝土受压边缘的极限压应变。

3)混凝土强度等级。提高混凝土强度可以在不加大截面的情况下降低轴压比,但混凝土强度过高,则极限压应变会减小,变形能力比较差,对柱子的延性产生不利的影响。

4)配筋。增大纵向钢筋配筋率对框架柱是有利的,在一定程度上能提高框架柱截面的延性。但是,当纵向配筋量达到一定值时,对框架柱变形能力的提高就不明显了,如果纵向钢筋配筋率过大,会使柱子产生剪切破坏或粘结破坏。箍筋能有效改善混凝土的受力性能,提高混凝土受压区边缘的极限压应变,因此,箍筋体积配箍率越高,柱子的延性提高就越大。

5)轴压比。抗震设计时,除了预计不可能进入屈服的柱外,通常希望柱子处于大偏心受压的弯曲破坏状态。从而使框架柱在地震作用下不会发生脆性破坏,保证框架结构“坏而不倒”。

6)剪跨比。它能大体反映出截面上弯曲正应力和剪应力的比例关系,决定了框架柱是发生延性破坏还是脆性破坏,框架柱剪跨比越大,延性越好。

3.3 梁柱节点

节点的失效就意味着与之相连的梁与柱同时失效,所以对节点应该给予足够的重视。影响节点延性的主要因素：

1)轴压比。在一定范围内轴向压力可以提高框架节点核心区混凝土的抗剪承载力,但当轴压比超过某一临界值时,框架节点受压区混凝土会产生微裂缝,混凝土被压碎,框架节点核心区抗剪承载力下降,因此要通过控制轴压比来确保其延性。

2)剪压比。为了防止框架节点核心区出现脆性斜拉破坏或者斜压破坏,必须控制剪压比,避免框架节点核心区混凝土的破坏先于箍筋的屈服,保证节点具有一定的延性。

3)配筋。柱纵向钢筋与水平箍筋联合对框架节点核心区混凝土形成双向约束,能显著提高框架节点的抗剪承载力。

4)偏心影响。偏心框架节点受到附加扭矩的作用,剪力在节点内的传递比较复杂。通过试验和实际工程震害研究发现,与没有偏心框架节点相比,偏心框架节点抗剪承载力明显下降。

4 提高结构层次安全储备的措施

延性在框架结构的抗震中起着关键的作用,在进行框架结构延性抗震设计时,要考虑到钢筋混凝土材料具有双重性,合理的设计可以消除或减少混凝土脆性性质的危害,充分发挥钢筋塑性性能,实现延性结构。根据国内外试验研究及震害资料,框架结构延性设计时必须遵循以下原则。

4.1 强柱弱梁的设计原则

在地震作用下,要确保框架结构中塑性铰首先出现在梁端,而不是在柱端,使框架结构形成梁铰机制。利用适筋梁良好的变形性能,来吸收和耗散地震能量。

柱中出现塑性铰,会引起结构倒塌;塑性铰出现在梁端,框架结构在破坏之前有比较大的变形,可以耗散比较多的地震能量,具有较好的抗震性能。

柱的延性通常小于梁的延性。因为柱是压弯构件,较大的轴向压力将使柱的延性下降,而梁是受弯构件,容易实现高延性比要求。如果没有采取“强柱弱梁”的措施,柱端不仅可能提前出现塑性铰,而且有可能塑性转动过大,形成同层各柱上、下端同时出现塑性铰的“柱铰机构”,危及结构承受竖向荷载的能力。在设计框架柱时,采用柱弯矩增大系数来增大柱端弯矩设计值,降低柱屈服的可能性。合理的框架破坏机制应是梁比柱的塑性铰尽可能早发生和多发生,底层柱出现塑性铰比较晚,各层柱子的屈服顺序应该错开,不集中在某一层,形成“强柱弱梁”型框架。

4.2 强节点弱构件的设计原则

节点区的受力状况很复杂,只有确保各节点不出现脆性剪切破坏,才能使梁、柱充分发挥其承载能力和变形能力。在梁、柱塑性铰按顺序出现完成之前,要确保节点核心区不能过早破坏。伸入核心区的梁、柱纵向钢筋,在核心区内应该有足够的锚固长度,避免因粘结、锚固破坏而增大层间位移,从而保证结构的整体性。在实际设计中,为了保证框架结构的延性,抗震规范是依据抗震等级对构件本身不同性质的承载力或者构件之间相对的承载力进行内力调整,并依据规定的构造要求来达到延性要求。内力调整系数依据抗震等级不同而异。

4.3 强周边的原则

钢筋混凝土框架结构震害研究表明,角柱的震害相当严重,主要是地震作用在抗侧力构件中传递时“边界效应”引起,因此在结构设计时,除了对顶层框架梁的延性能力加强外,应对边柱尤其是应力集中明显的角柱的安全富余度提高,建议在中震强度下,对角柱构件按弹性设计,即在角柱设计时,取中震地震力折减系数为 1.0计算柱设计剪力。

4.4 关键构件应超强的原则

结构冗余度对结构的延性能力影响很大,任何一种结构,不同构件的强度储备存在一定的随机差异,冗余度多的结构倒塌概率要小于串连系统(如简单的框架结构(梁柱铰接)体系,各楼层形成的一个串联系统,如果局部出现薄弱层破坏,则整体结构失效),美国结构设计规范UBC97的地震作用计算中,采用了一个考虑结构冗余度的系数(Redundancy Factor),如果结构冗余度不足,则要通过提高承载力安全储备来减少结构的失效概率。冗余度系数 ρ的表达式为：

其中,A为楼层面积,m2;rmax为计算方向的地震层间剪力最大的构件与该方向总地震层剪力之比,取结构下部 2/3高度范围各层的所有抗侧力构件的地震层剪力分担系数ri(i为楼层编号)中的最大者。

如果结构中存在一个构件承担的地震层剪力比重过大,即ri很大,或其从属楼面面积很大,则该结构的冗余度就越小,也即如果该构件一旦破坏失效,可能导致结构倒塌的范围越大,故此时冗余度系数ρ取值也要越大,相应就提高结构的地震作用,即增加了该结构的承载力储备。因此,对我国梁柱刚接的钢筋混凝土框架,对冗余度系数ρ大的结构,适当提高构件的安全储备能够提高结构的抗倒塌能力。

5 结语

本文讨论了结构的安全储备,对钢筋混凝土结构,不管是构件层次安全储备还是结构体系层次安全储备,对结构的抗震设计具有重要的意义,基于钢筋混凝土框架结构的震害分析,对结构的延性设计提出了详尽的设计思路,为研究地震灾害下结构的整体安全储备提供了一个重要的依据。

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On seism ic design for reinforced concrete frame structure based on safety storage

JIN Rong-juan

The paper analyzes the earthquake diseases on the reinforced concrete frame structure,points out the respectivemeasures for the ductility seismic design for the reinforced concrete frame structure from the components layer and the structural layer,and its research result provides the theoretic reference for the quantitative design for the seismic collapse of the reinforced concrete structure and the calcu lation analysis.

rein forced concrete frame,seismic design,safety storage

TU375.4

A

1009-6825(2011)03-0029-03

2010-10-12

金荣娟(1971-),女,讲师,云南建设学校,云南大理 671000