浅析钢筋混凝土结构延性与抗震设计

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 浅析钢筋混凝土结构延性与抗震设 计 摘要地震是严重威胁人类生命安 全与社会经济的主要灾害，防震减灾是 抵御地震灾害的必然选择。做好建筑抗 震设计工作，是避免与减少地震灾害损 失的关键手段，确保结构延性，是保证 抗震建筑“小震不坏，中震可修，大震 不倒”的技术要求。笔者结合多年的设 计工作实践，对钢筋混凝土结构的延性 与抗震设计进行了初步分析与探讨。 中国论文网 /2/view-12903120.htm 关键词抗震设计；钢筋混凝土结 构延性；影响因素；设计要点；主要措 施 TU973+.31 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 1 建筑抗震设计概况 地震灾害具有突发性，至今可预 报性仍然很低，它给人类社会造成的损 失巨大，是各类自然灾害中最严重的灾 害之一。地震以波的形式从震源通过岩 土和地基，使建筑物的基础和上部结构 产生不规则的往复振动和激烈变形。当 结构在地震时产生的应力和变形超过材 料和构件的各项极限值后，结构将出现 不同程度的破坏现象，例如材料屈服、 构件裂缝、局部破损、显著变形、结构 倾斜，整体倒塌等等。 随着人们对抵御地震灾害经验的 不断积累以及建筑抗震理论研究的不断 深入，结构抗震设计经历了从弹性到非 线性，从基于经验到基于非线性理论， 从单纯保证结构承载能力的“抗” 到允许 结构屈服，并赋予结构一定的非弹性变 形性能力的“ 耗” 的一系列转变。我国根 据现有的科学水平和经济条件，对建筑 抗震提出了“ 三水准” 的设防目标，即通 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 常所说的“小震不坏，中震可修，大震 不倒”。所谓小震、中震、大震指的是 50 年超越概率分别为 63%、10%、23%的 多遇地震、设防烈度地震与罕遇地震。 抗震设防“ 三水准”的要求是通过 以下两阶段设计来保证的： 多遇地震下的承载力验算，建筑 主体结构不受损，非结构构件没有过重 破坏保证建筑正常使用功能；罕遇地震 作用下建筑主体结构遭遇破坏，但不倒 塌。结构抗震变形验算是两阶段设计很 重要的内容。 第一阶段的变形验算以弹性层间 位移角表示，以保证结构及非结构构件 不开裂或开裂不明显，保证结构整体抗 震性能。 第二阶段的变形验算为罕遇地震 下薄弱层的弹塑性变形验算，以弹塑性 层间位移表示，防止结构薄弱层弹塑性 变形过大引起结构倒塌。 2 钢筋混凝土结构抗震设计 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 在我国现有的多高层建筑中，钢 筋混凝土结构应用最为普遍。因为其具 有足够的强度、较强的整体性和较好的 延性，作为最常用的结构形式被广泛用 于地震设防地区。抗震设计的钢筋混凝 土结构，虽然依据设防烈度、结构类型、 房屋高度区别为不同的抗震等级，并分 别采用相应的计算与构造措施，但有一 点是共同的，就是合理选择确定结构屈 服水准的地震作用、制定有效的抗震措 施使结构确实具有与地震作用相对应的 延性能力。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。 延性结构就是通过塑性铰区域的变形， 降低结构刚度，同时能够有效地吸收和 耗散地震能量，增强抗倒塌能力的结构 体系。延性结构的破坏是塑性破坏，塑 性破坏能提前给人以预兆，符合建筑抗 震设计理论与原则要求。结构延性越好， 抗震潜力越大。因此，钢筋混凝土结构 抗震设计的本质要求就是确保结构延性。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 抗震设防烈度越高，结构高度越大，结 构延性的要求也越高。 3 影响钢筋混凝土结构延性的主 要因素 3.1 材料屈服后的变形能力 从材料的角度看，钢结构材料延 性好，可抵抗强烈地震而不倒塌；砖石 结构材料变形能力差，在强烈地震做一 下容易出现脆性破坏而倒塌。钢筋混凝 土结构材料具有双重性，如果设计与使 用合理，可以消除或减少混凝土脆性危 害，能够充分发挥钢筋的塑性性能，达 到结构延性的要求。所以，材料影响钢 筋混凝土结构延性的主要因素，是钢筋 在屈服以后的变形能力，通常以钢筋的 极限应变与屈服应变的比值即材料延性 比 来确定。 值越高，材料屈服后的 变形能力越强，结构延性越好。 3.2 构件截面屈服后的变形能力 从构件截面的角度看，截面屈服 后变形能力越强，结构延性越好。在合 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 理的配筋情况下，以受弯为主的梁构件 可获得较高的延性；对于受剪为主的抗 震墙与压应力比较高的结构柱，则难以 到达较高的延性。因此，根据钢筋混凝 土结构类型与构件受力特点，应该正确 选择计算方法，合理调整构件的组合内 力设计值，从而提高构件截面屈服后的 变形能力。 3.3 结构变形能力 从结构的角度看，当结构荷载增 加很少而位移迅速增加时，可认为结构 已经“屈服”，同时在承载能力基本保持 不变的情况下，仍然具有较大的塑性变 形能力，则该结构可称为延性结构。结 构的塑性变形能力通常用结构顶点或层 间的极限位移与屈服位移的比值即位移 延性比 来衡量，=1 ，表示屈服即坏， 结构没有延性；1 ，值越大，结构变 形能力越强，其结构延性越好。 4 钢筋混凝土结构延性设计的基 本要点 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 4.1 具有规则的结构布置 一幢房屋的动力性能基本上取决 于它的建筑布局与结构布置。建筑布局 简单合理，结构布置符合抗震原则，就 从根本上保证了房屋具备良好的抗震性 能。反之，建筑布局奇特复杂，结构布 置环节薄弱，即经精细分析与计算，在 构造上无论采取何种补强措施，也难以 达到减轻震害的预期目地。因此，抗震 设防区的钢筋混凝土建筑结构设计，必 须优先采用简单、均匀的建筑布局与规 则、对称的结构布置。 4.2 具有多道抗震防线 抗震建筑如果采用一道抗震防线 的结构体系，一旦防线破坏，在后续地 面运动的作用下，就会导致建筑物倒塌， 因此，设置多道抗震防线是提高建筑抗 震能力、减轻地震破坏的必要手段。 多道抗震防线的设置，原则上应 优先选择不负担或少负担重力荷载的竖 向支撑或填充墙、轴压比较小的抗震墙 （剪力墙） 、实墙筒体，不能采用轴压 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 比很大的框架柱作为兼作第一道抗震防 线的抗侧力构件，以保证整个抗震结构 体系由若干个延性较好的分体系组成， 并由结构构件连接起来协同工作。 4.3 具有足够的侧向刚度 国内外的地震震害表明，具备足 够侧向刚度的高层建筑，不仅主体结构 破坏轻，而且由于地震时结构变形小， 隔墙、维护墙等非结构构件受到保护， 破坏也轻。基于上述原因，目前世界各 国的抗震设计规范都对结构抗侧刚度提 出明确要求，依据不同结构体系和设计 地震水准，给出相应结构的变形限值要 求，以确保结构具有足够的侧向刚度。 表一、表二分别为我国建筑抗震设计 规范 （GB50011-2010）规定的钢筋混 凝土结构在多遇地震和罕遇地震下的变 形限值。 4.4 具有足够的冗余度 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 地震灾害中建筑物的倒塌往往是 结构构件破坏后致使结构体系变为机动 体系的结果，因此，结构的冗余度亦即 超静定次数越多， 建筑物从稳定进入 倒塌的过程就越长。从能量消耗角度看， 在一定地震强度和场地条件下，输入结 构的地震能量大体上是一定的。地震作 用下，结构上每出现一个塑性铰即可吸 收与消耗一定数量的地震能量。在结构 变成机动体系前，能够出现的塑性铰越 多，耗散的地震能量就越多，结构就更 能经受住较强地震而不倒塌。因此，结 构冗余度越多，抗震安全性就越强。 从结构的传力途径看，静定结构 传递水平地震作用路径单一，一旦某一 杆件或节点破坏，整个结构受力就将失 效；超静定结构在超负荷状态工作时， 破坏将首先出现在赘余杆件上，结果是 仅仅降低结构的超静定次数，但换来的 是消耗了一定数量的地震能量，而整个 结构是稳定的。因此，一个好的抗震结 构体系，一定必须保证其具有足够多的 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 冗余度。 4.5 具有良好的结构屈服机制 一个良好的结构屈服机制就是保 证结构在杆件出现塑性铰以后，竖向承 载能力能够保持稳定、可以持续变形而 不倒塌，能够最大限度地吸收与消耗地 震能量。一般应该满足以下条件： 结构的塑性发展由次要构件 开始，最好才在主要构件上出现塑性铰， 形成多道抗震防线，结构中构件发生强 度屈服的顺序应该符合“ 梁先于柱 ”、 “杆 件先于节点” 、 “受弯先于受剪”、 “受拉 先于受压”的条件。 结构能够形成的塑性铰数量多， 塑性发展过程长。 杆件塑性铰的塑性转动量大，结 构的塑性变形量大。 5 钢筋混凝土结构延性设计的主 要措施 5.1 结构布置应该力求简单、规 则，避免结构刚度、质量、承载能力分 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 布不均。布置不规则的建筑，应提高结 构抗扭刚度，避免因结构偏心而产生的 扭转效应；结构在经不规则程度、地基 基础条件等多方面比较分析后，尽量不 设抗震缝；必须设置抗震缝时，应严格 满足抗震规范的规定与要求。 5.2 结构宜采用高性能或高强混 凝土，可以减小构件截面、降低结构自 重；结构应采用塑性变形能力大的高强 钢筋。 5.3“强柱弱梁 ” 结构变形和破坏常见有 “梁铰机 构”、 “柱铰机构”、 “梁柱铰机构”三种典型 的耗能机构，我国规范采用的是梁先行 屈服并允许柱子、剪力墙出铰的“梁柱 铰机构”方案。该机构能使结构产生较 大的内力重分布和能量消耗能力，极限 层间位移大，塑性铰数量多，不因个别 塑性铰失效而致结构整体失效，抗震性 能好，因而是钢筋混凝土理想的耗能机 构。 “强柱弱梁”就是“ 梁柱铰机构” 在延 性设计中的运用，具体措施就是人为增 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 大抗震柱的抗弯能力。在地震作用下， 梁端塑性铰出现较早，在达到最大非线 性位移时塑性转动较大；而柱端塑性铰 出现较晚，在达到最大非线性位移时塑 性转动较小，甚至根本不出现塑性铰， 保证结构具有较为稳定的塑性耗能机构 和较大的塑性耗能能力。 5.4“强剪弱弯 ” “强剪弱弯 ”是为了保证塑性铰截 面在达到预期非弹性变形之前不发生剪 切破坏，其实质是使梁发生弯曲破坏而 不是发生剪切破坏。就常见结构而言， 主要表现在梁端、柱端、剪力墙底部加 强区、剪力墙洞口连梁端部、梁柱节点 核心区。 “强剪弱弯 ”增强措施主要表现 在提高作用剪力、调整抗剪承载力两个 方面，同时通过剪跨比、剪压比、轴压 比、体积配箍率、纵筋配筋率的限制与 箍筋合理配置予以保障。 5.5“强节点强锚固” 钢筋混凝土结构节点构造繁杂、 受力复杂且容易发生破坏，节点可靠与 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 13 否是关系结构能否可靠工作的前提，钢 筋锚固牢固与否是构件能否发挥承载力 的关键。因此在抗震设计中必须保证节 点能够承担梁端、柱端顺序出现塑性铰 时的节点剪力，