钢筋混凝土短肢剪力墙结构的破坏机制探析

金 鑫

（宁夏工业设计院有限责任公司 宁夏 银川 750001）

0 引言

我国学者认为采用短肢剪力墙体系的小高层以及多层的异形柱框架结构相对普通的框架结构更容易形成梁铰破坏机制，并且将结构设计成梁铰耗能机制能够很好的满足结构的变形能力，一些按照规范设计的实际工程结构也最终表现为梁铰破坏机制。

1 建筑结构可能的破坏机制

1.1 破坏机制的分类

建筑结构的破坏机制有三种：梁铰破坏机制、柱铰破坏机制和混合破坏机制。

柱铰机制是指当框架柱的承载能力弱于框架梁时，在水平荷载作用下，整个结构在柱端首先出现塑性铰，而在梁端依然处在弹性阶段。发生的最严重的情况是结构中只有其中的某一层的柱端形成塑性铰而导致整个结构破坏。柱端塑性铰产生的转动对结构在整个破坏过程当中水平位移增加起主要贡献。然而梁端塑性铰相对能比较充分的发展，相对柱有良好的耗能能力。因此如果结构位移延性系数一定，只靠柱端塑性铰来满足结构的转动的话，一般很难达到。所以要在结构抗震设计中对构件加强构造措施省得结构出现柱铰破坏。

梁铰机制是由于结构柱端承载力强于梁端，这时在结构的梁端首先产生塑性铰，此塑性铰转动吸收大部分地震能量，但是每层的柱子依然处于弹性阶段，最终荷载继续增大致使在最下层柱的底部产生塑性铰宣告结构破坏。梁铰机制在整个结构破坏过程中主要依赖梁端产生的塑性铰来耗能，相应对柱子的延性就没有那么严格的要求，结构只有一个自由度，此机制归于总体耗能机制。

混合机制是指如果在框架结构中结点的梁端屈服的同时，在柱的两端也都产生塑性铰，这种破坏属于“混合机制”。混合机制也是只有一个自由度，为总体耗能机制，跟梁铰机制相近。

1.2 各国规范对结构破坏机制的选用

各国目前关于建筑结构耗能机制的选用有两种不同的做法。

新西兰的研究人员认为结构设计时应使结构在梁端和底层柱子的底端都形成塑性铰，将结构设计成全结构塑性机构。具体设计时设计者要对梁端截面计算构件内力组合值，按其组合后的弯矩值进行截面设计。对于底层柱截面，使用计算的组合值稍微增大的值进行设计，除此以外的截面使用相对计算的组合弯矩值人为加大的值进行截面设计。这样设计之后，如果结构在较大等级地震中产生很大的塑性形变，梁端和底层柱底部都会出现塑性铰，不过梁端的塑性铰要先于柱底的出现，在除柱底其他柱截面将不产生塑性铰，这样结构最终形成梁铰破坏机制。不过这种设计方法对柱端弯矩人为放大的弯矩增大系数要取的很大。

新西兰研究人员提出的这套措施主要利用梁端产生的塑性铰来耗能以及增加结构的变形能力，梁端也有实现这一设计目的的能力。不过底层柱的严格要求就使得设计人员必须保证柱底轴压比，并且还要配置足量的箍筋来确保柱底达到所要求的变形能力，万一柱底没有达到设计目的，导致截面延性不足，那么很容易使整栋结构发生倒塌的可能。这一设计对除底层柱以外的柱截面的要求是不出现塑性铰，这样可以在这些截面不必增加太多的箍筋，可以节省一部分钢筋用量。

美国抗震界对新西兰人为增大柱底组合弯矩所使用的增大系数不太认可，他们觉得新西兰使用的这个增大系数过大。美国学者依据本国抗震经验降低此增大系数，这样设计以后，结构在大震过程中产生塑性变形时，同样结构很快在梁端产生塑性铰，但是柱底截面的柱端塑性铰形成的时间要很晚。所以结构破坏时，结构梁端普遍形成塑性铰，柱端的塑性铰就相对少很多，这样就形成了“混合破坏机制”。

混合机制的特点是以梁端塑性铰耗能为主，但不限制柱端塑性铰出现（包括底层柱底），通过适当增强柱端抗弯能力的方法使它在大震下的塑性转动离其塑性转动能力有足够裕量，并且同层各柱上下端不同时处于塑性变形状态。

1.3 我国规范对结构破坏机制的选用

我国规范要求耗能机制采用“混合破坏机制”模式。《抗规》6.2条规定：

一、二、三、四级框架结构种的梁柱节点处，对柱端弯矩采用的组合设计值要符合公式：，式中的梁柱节点不包括框支梁柱的节点以及框架结构的顶层和柱子轴压比值小于0.15的情况。

一级的框架结构和9度的一级框架可不符合上式要求，但要满足公式。其中为节点上下柱端截面顺时针或反时针方向组合的弯矩设计值之和，上下柱端的弯矩设计值，可按弹性分析分配；为节点左右梁端截面反时针或顺时针方向组合的弯矩设计值之和，一级框架节点左右梁端均为负弯矩时，绝对值较小的弯矩应取零；为节点左右梁端截面反时针或顺时针方向实配的正截面抗震受弯承载力所对应的弯矩值之和，根据实配钢筋面积（计入梁受压筋和相关楼板钢筋）和材料强度标准值确定；ηC为框架柱端弯矩增大系数；对框架结构，一、二、三、四级可分别取1.7、1.5、1.3、1.2；其他结构类型种的框架，一级可取1.4，二级可取1.2，三、四级取1.1。

当反弯点不在柱的层高范围内时，柱端截面弯矩的组合设计值可以按照乘上上面公式中弯矩增大系数以后得到的值进行计算另外，一、二、三、四级框架结构的底层，柱下端截面组合的弯矩设计值，应分别乘以增大系数1.7、1.5、1.3和1.2。底层柱纵向钢筋应按上下端的不利情况配置。

最终设计人员依据上述规范要求设计的结构在经历大震时，在结构梁端会首先形成塑性铰，并且同一层的柱上下两端不会同时形成塑性铰。但是结构的柱端由于设计时没有采用较大的弯矩增大系数进行设计，依然可能出现塑性铰，这样设计的结构大部分最终会形成混合破坏机制。

2 短肢剪力墙结构破坏机制的选用

短肢剪力墙结构体系纵然有很多优点，良好的建筑功能，但是由于其结构体系变形能力不是很大，这一新兴结构体系依然没有得到广大工程界的广泛应用。《高规》7.1.8条中规定，在规定的水平地震作用下，短肢剪力墙承担的底部倾覆力矩不宜大于结构底部总地震倾覆力矩的50%；房屋适用高度应比原规程表规定的剪力墙结构的最大适用高度适当降低，7 度、8 度（0.2g）和 8 度（0.3g）时分别不应大于100m、80m和60m。这给设计人员设计带来了一定的困难。

学者们经过大量的理论研究和实体试验后发现，相对普通的框架结构，采用短肢剪力墙体系的小高层以及多层的异形柱框架结构更容易形成梁铰破坏机制，一些按照规范设计的实际工程结构也最终表现为梁铰破坏机制。

3 结束语

总之，我国规范要求耗能机制采用“混合破坏机制”模式。结构在经历大震时，在结构梁端会首先形成塑性铰，并且同一层的柱上下两端不会同时形成塑性铰。但是结构的柱端由于设计时没有采用较大的弯矩增大系数进行设计，依然可能出现塑性铰，这样设计的结构大部分最终会形成混合破坏机制。

［1］康竹卿.短肢剪力墙结构体系研究[J].山西建筑，2008，34（21）：66-67.

［2］王岚兰，李志国，高祎.短肢剪力墙结构设计[J].吉林建筑工程学院学报，2005，22（2）：12-14.