浅析框架结构延性与抗震设计

张云

摘 要:简单分析框架结构延性对抗震的重要作用以及影响框架结构延性的主要因素,帮助工程设计人员理解我国规范对抗震混凝土结构使用的“能力设计”思路,即“强柱弱梁,强剪弱弯,强节点弱构件”的设计原则。

关键词:延性抗震设计框架结构

中图分类号:TU7 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)05(c)-0041-01

1 引言

在我国目前的多高层建筑中,钢筋混凝土结构应用最为普遍。其中钢筋混凝土框架结构因具有强度高、整体性好以及良好的延性,目前已成为广泛用于地震设防地区的最普遍的结构形式。框架结构抗震设计是结构设计的重要内容,抗震的实质是结构延性,因此延性是抗震设计中的一个重要概念。提高延性可以增强结构遭遇罕遇地震时的抗倒塌能力。结构主要靠延性来抵抗较大地震作用下的非弹性变形。增强结构延性是提高建筑抗震性能的重要措施。因此,地震作用下,结构的延性与结构的强度具有同等重要的意义。以下笔者将对延性在抗震设计中的作用以及影响框架结构延性的主要因素做简单阐述。

2 框架结构延性的作用

钢筋混凝土框架结构具有良好的抗震性能,然而未经合理设计的框架结构会在地震作用下产生较严重的震害。所谓延性,是指构件和结构屈服后,在承载能力不降低或基本不降低的情况下,具有足够塑性变形能力的一种性能。对于受弯构件来说,随着荷载增加,首先受拉区混凝土出现裂缝,表现出非弹性变形。然后受拉钢筋屈服,受压区高度减小,受压区混凝土压碎,构件最终破坏。从受拉钢筋屈服到压区混凝土压碎,是构件的破坏过程。在这过程中,构件的承载能力没有多大变化,但其变形的大小却决定了破坏的性质。延性结构通过塑性铰区域的变形,能够有效地吸收和耗散地震能量;同时,这种变形降低了结构的刚度,致使结构在地震作用下的反应减小,也就是使地震对结构的作用力减小。当结构设计成为延性结构时,由于塑性变形可以耗散地震能量,结构变形虽然会加大,但结构承受的地震作用不会很快上升,内力也不会再加大,因此具有延性的结构可降低对结构的承载力要求,也可以说,延性结构是用它的变形能力来抵抗罕遇地震作用;反之,如果结构的延性不好,则必须有足够大的承载力来抵抗地震作用。

结构或构件的延性具有以下作用:

2.1 防止脆性破坏

脆性破坏是突然的、无明显征兆的破坏,因此破坏的后果较严重。工程设计中应避免脆性破坏,应按塑性破坏的原则进行设计,使结构或构件具有一定的延性,保证结构或构件在破坏之前有足够的变形能力,防止突然的脆性破坏发生。

2.2 对脆性构件起稳定作用

在实际建筑结构中,延性构件与非延性构件(脆性构件)往往是并存的。例如框架结构的长柱与短柱。实验研究说明,在保证延性构件与非延性构件一定比例的条件下,延性构件对脆性构件起稳定作用,使结构有较好的变形能力而不致失效。

2.3 实现内力重分布

延性构件在强震作用下,随着裂缝的形成和开展,某些临界截面有一定的转动能力,形成塑性铰,改变了原有的超静定状态,结构中的内力分布不再服从弹性状态,产生塑性内力重分布,从而使结构更符合实际内力分布。在保证极限承载力不变的条件下,利用塑性内力重分布规律,调整设计弯矩,减少梁支座配筋的密集程度,便于施工。

2.4 提高框架结构抗震性能

在我国,抗震设计的原则是:小震不坏,基本地震可修,大震不倒。地震作用时,延性结构通过塑性铰区域的变形,能够有效地吸收和耗散地震能量,同时,这种变形降低了结构的刚度,使结构在地震作用下的反应减小,即减小了地震力。因此,结构的延性措施增加了结构在大震下的变形能力,提高结构的抗震性能。

3 影响结构延性的主要因素

框架结构是由梁、板、柱以及梁柱节点组成的受力体系,其中梁、柱是抵抗地震力的主要构件。梁、柱通过节点形成整体,框架结构的延性取决于梁、柱及其连结节点。因此,只要保证柱、梁和节点的延性也就保证了框架结构的延性,从而也就确保了框架结构的抗震能力。

3.1 梁

框架梁是框架结构在地震作用下的主要耗能构件,因此梁、特别是梁的塑性铰区应保证有足够的延性。影响梁延性的因素主要有梁的剪跨比、截面剪压比、截面配筋率、压区高度比等。在地震作用下,梁端塑性铰区混凝土保护层容易脱落,如梁截面宽度过小,则截面损失比例较大。所以一般框架梁宽度不宜小于 200mm。同时为了对节点核心区提供约束以提高其受剪承载力,避免梁侧向失稳及确定梁塑性铰区发展范围分别要求梁宽不宜小于柱宽的1/2,狭而高的梁截面不利于混凝土的约束,梁的塑性铰发展范围与梁的高跨比有关,当梁的截面高度与净跨之比小于4时,在反复受剪作用下交叉斜裂缝将沿梁的全跨发展,从而使梁的延性及受剪承载力急剧降低。所以框架梁净跨宜大于梁截面高度的4倍,截面高宽比不宜大于4。试验表明,当梁纵向受拉钢筋配筋率很高时,在弯矩达到最大值时,弯矩——曲率曲线很快出现下降;当配筋率较低时,弯矩达到最大值后能保持相当长的水平段,因而大大提高了梁的延性和耗散能量的能力。

3.2 柱

框架柱是框架结构在地震作用下的又一主要耗能构件。影响柱延性的因素主要有柱的轴压比、剪跨比、剪压比等。轴压比是影响框架柱抗震设计的破坏形态和变形能力的重要因素。轴压比不同,框架柱将呈现两种不同的破坏形态,即受拉钢筋首先屈服的大偏心受压破坏和混凝土受压区压碎而受拉区钢筋未屈服的小偏心受压破坏。框架柱应控制在大偏心受压破坏范围,以保证柱有一定的延性。不同结构体系、抗震等级等情况规范对柱的轴压比限值有严格要求。剪跨比用于区分变形特性和变形能力,框架柱的剪跨比宜大于2,避免形成短柱。剪压比用于限值内力,保证延性。

3.3 节点

框架节点主要是连结框架梁、柱以形成完整受力体系,共同发挥抗震作用。节点的延性主要受框架梁、柱影响,一般通过加强节点抗震构造措施来提高框架的抗震性能。在地震作用下为了使框架节点处于有利的受力状态,宜使节点内及其周边处的纵向受力钢筋不进入屈服状态。从构造上采取措施加强梁端截面的受弯承载力,迫使塑性铰不是紧靠柱边产生,而是离开柱边一定的距离形成,这样柱边梁端纵向受力钢筋不至于达到屈服,就可以推迟或防止梁端纵向受力钢筋在节点核心区的滑移,改善节点在反复循环荷载作用下的刚度退化,保证正交梁对节点核心区的约束作用,使节点核心区始终处于弹性受力状态,提高框架抗震的性能。

4 结语

延性决定了在地震作用时结构的抗震性能,因此在工程设计中应予以高度重视,通过“强柱弱梁,强剪弱弯,强节点弱构件”的设计原则来提高框架结构延性,提高结构的抗震能力。

参考文献

[1] 中华人民共和国国家标准.建筑抗震设计规范(GB50011-2010).北京:中国建筑工业出版社,2010.

[2] 龚思礼,等.建筑抗震设计手册.北京:中国建筑工业出版社,2002.

[3] 中国建筑科学研究院.混凝土结构设计.北京:中国建筑工业出版社,2003.