钢筋混凝土结构变形能力的研究

文/ 孙贤洋 宁波市城建设计研究院有限公司 浙江宁波 315012

唐王龙 贵州中建建筑科研设计院有限公司 贵州贵阳 550006

钢筋混凝土结构变形能力的研究

文/ 孙贤洋 宁波市城建设计研究院有限公司 浙江宁波 315012

唐王龙 贵州中建建筑科研设计院有限公司 贵州贵阳 550006

针对钢筋混凝土结构应具有必要的刚度满足层间位移角限值的要求。本文分析了RC结构各类体系的弹性和弹塑性层间位移角,并研究了相应结构的刚度及变形能力。对实际工程中遇到的各类结构体系，指出了如何控制结构的层间位移，增大结构的侧向刚度，使其具有足够的抗变形能力。

变形能力；刚度；层间位移；结构体系；变形成分

1、引言

改革开放以来，随着我国大规模城镇化建设的加速推进，房地产业的快速发展，各种结构体系的钢筋混凝土结构得到广泛应用。RC结构包括框架、框架-剪力墙、剪力墙、筒体等结构体系，各种结构在工程合理应用中，要做到安全适用、经济合理、力学模型和概念设计的科学合理性；同时，随着时代的进步，各种高层建筑结构的高度越来越高，高宽比的增大，结构的刚度也越来越小。在正常使用条件下，高层结构应具有足够的刚度，满足舒适度的要求，避免产生过大的位移而影响结构的承载力及稳定性。RC结构体系不但要具备必要的强度，也要具备良好的延性或刚度，因此完全有必要开展RC结构变形能力及抗震性能研究。

2、弹性层间位移角

层间位移角是控制结构整体刚度和不规则性的主要指标。依据国内外大量的试验研究和有限元分析结果，以框架柱、抗震墙等抗侧力构件开裂时的层间位移角作为弹性层间位移角限值。在风荷载或多遇地震作用下的层间位移角，不扣除整体弯曲转角产生的侧移，可不考虑偶然偏心的影响。限制建筑物，特别是高层建筑的层间位移角主要目的有两点：一是保证主体结构基本处于弹性受力状态，避免混凝土剪力墙、框架柱受力构件出现裂缝或控制连梁、框架梁等楼面结构构件的裂缝超过规范允许的范围；二是保证填充墙和各种管线等非结构构件完好，避免产生明显的损伤。

在风荷载或水平地震力作用下，框架结构的变形形态为剪切型，带有剪力墙或筒体的框架-剪力墙、框架-核心筒等高层结构的变形形态为弯剪型，剪力墙结构的变形形态为弯曲型。各种类型的结构体系、主要抗侧力构件的截面尺寸（框架梁、柱和剪力墙等）、RC构件的实际配筋及其徐变收缩和塑性内力重分布等是影响结构刚度大小的主要因素。由于不同的结构体系，侧向刚度差异较大，随着结构高度的增加，应按刚度由小到大的顺序采用结构体系应用于各类结构中。

2.1 框架结构的弹性层间位移角

框架结构布置灵活、可形成大的使用空间、施工简便且较为经济，但其抗侧刚度较小，耗能能力小，其侧移较大。实际工程中，在6度、7度抗震设防的宁波、舟山等地区，多层商品住宅中往往采用框架结构，而小高层住宅中一般采用框架-剪力墙及剪力墙结构。风荷载或多遇地震作用下的框架结构弹性层间位移角限值为1/550；在弹性阶段，梁的弯曲变形引起的层间位移所占的比例较大，要考虑柱子弯曲变形引起的层间位移成分，但可以忽略梁和柱的剪切变形引起的层间位移的影响。

2.2 以剪力墙为主要抗侧构件的结构体系的弹性层间位移角

高层建筑RC结构要对竖向承重结构的形式进行选择。随着建筑行业的快速发展，建筑高度越建越高，为了满足建筑物高度和层数增加时对刚度的需求，逐步采用整体刚度越来越大的框架-剪力墙、剪力墙结构、框架-筒体、筒中筒结构等。框架-剪力墙结构具有框架结构和剪力墙结构各自的优点；剪力墙结构刚度大、侧移小、室内墙面平整，但平面布置不够灵活、结构自重较大、造价较高，适合在高层旅馆和高层住宅中采用。筒体结构侧向刚度大，整体性强，筒体结构中的核心筒剪力墙和一般框架-剪力墙的剪力墙不同，由于剪力墙组成筒体，筒体的侧向刚度更大，变形能力更强，适合在更大高度的超高层建筑中使用。从《抗规》5.5.1条可以看出，水平力作用下的框架-剪力墙、框架-核心筒弹性层间位移角限值为1/800，剪力墙结构、筒中筒结构则为1/1000，即结构的侧向刚度越大，相应的层间位移角限值越严。

3、弹塑性层间位移角

限制结构的层间弹塑性位移角，主要是为避免结构在大震作用下的倒塌。结构层间弹塑性位移角的最大值一般出现在薄弱层部位，因此，结构弹塑性变形验算本质上就是对结构薄弱层部位的弹塑性变形验算。

在框架-剪力墙结构中，当有足够的剪力墙时，剪力墙是结构的主要抗侧力构件，是结构抗震的第一道防线，在设防地震、罕遇地震作用下先于框架破坏；其框架部分是次要的抗侧力构件，属于结构抗震的第二道防线。罕遇地震作用下的框架结构弹塑性层间位移角限值为1/50，框架-剪力墙、框架-核心筒结构则为1/100，剪力墙结构、筒中筒结构则为1/120。

4、工程实例小结

在实际工程中，对建筑结构的整体侧向刚度控制，主要通过控制结构的侧向位移来实现。侧向位移小，则结构的侧向刚度较大。对结构侧向刚度的控制，实际上是对构件截面大小、结构刚度大小的宏观控制；而混凝土强度、竖向分布钢筋配筋率的增加，对结构的变形能力也逐渐有利。在结构设计中，应控制薄弱层部位的刚度，使其既有足够的抗变形能力，又不使薄弱层位置发生转移，达到提高结构总体抗震性能的目的。

在梁-柱（墙）组合体试件为刚性的常规结构体系中, 节点区无任何位移和内部变形，不考虑核心区变形引起的变形成分对层间位移的影响；当层间位移角限值不满足规范时，建议加大柱、剪力墙截面尺寸，其改善效果相对明显，同时体现了“强柱弱梁”的设计原则，增强了柱抗弯能力。而在大型工业厂房的框架结构与有转换梁的高层结构中，由于存在非刚性的异型梁-柱（墙）组合体试件，在进行“罕遇”地震作用下弹塑性分析时要充分考虑节点核心区剪切变形的变形成分对层间位移的影响，故工程师在设计此类结构时，应使经过PKPM等结构分析软件的力学模型其层间位移角的计算结果比规范中限值尽量小多些，使其保持一定的安全储备，使实际层间位移角能满足规范限值要求。

在高层框架-核心筒结构设计中，当抗侧力刚度不能满足设计要求时，通常可设置避难层和设备层以控制结构位移。加强层的引入，不但可以增大结构抗侧刚度，控制结构位移，还可以调节倾覆弯矩在核心筒和外框之间的分配比例，降低核心筒倾覆弯矩。

随着高层建筑结构高度的增加，结构的侧向刚度越来越小，周期越来越长，结构在水平力作用下的整体稳定逐步成为其设计的主导因素之一。当高层结构超过一定高度后，地震作用和风荷载引起的层间位移限值将可能不对结构刚度起控制作用，而结构的整体稳定成为结构刚度控制的主导因素，结构刚度虽能满足层间水平位移限值，但有可能不满足整体稳定要求。故在实际工程设计中，结构工程师在执行规范相关条文时，一定要充分重视。

[1]郭子雄.基于变形的抗震设计理论及应用研究[D].上海: 同济大学, 2000，6.

[2]孙贤洋.RC框架变梁异型梁-柱组合体试件变形能力及抗震性能研究[D].西安: 长安大学, 2010，1.

[3]姚显贵.RC框架变梁变柱异型中节点抗震性能试验研究[D].西安: 长安大学, 2009,5.

[4]建筑抗震设计规范(GB 50011-2010).北京: 中国建筑工业出版社, 2010.