延性钢筋混凝土框架的抗震设计

1 / 6 延性钢筋混凝土框架的抗震设计 随着 1976 年唐山地震和今年汶川地震给人们带来的危害和教训，表明搞好结构的抗震设计尤为重要。现阶段我国抗震设防的基本思想和原则是以 “ 三个水准 ” 为抗震设防目标，即 “ 小震不坏，中震可修，大震不倒 ” 。为实现抗震设防目标，结构除必须有足够大的承载力和足够的刚度外，还必须具有足够的延性和耗能能力。 在建筑体形和结构布置确定后，实现延性框架成为结构抗震设计的关键。主要包括三个方面： 通过调整构件之间承载力的相对大小，实现合理的屈服机制，即 “ 强柱弱梁 ” 、“ 强核芯区弱构件 ” ； 通过调整构 件斜截面承载力和正截面承载力之间的相对大小，实现构件延性破坏形态，即 “ 强剪弱弯 ” ； 通过采取抗震构造措施，使构件自身具有大的延性和耗能能力。在结构设计中我们从以下几方面实现钢筋混凝土框架的延性。 一、实现梁铰机制，避免柱铰机制 梁铰机制也称整体机制，是指塑性铰出现在梁端，除柱脚外，柱端无塑性铰；柱铰机制 也称局部机制，是指在同一层所用柱的上、下端形成塑性铰。 设计中，通过调整汇交在同一节点的梁端截面受弯承载力与柱端截面的正截面承载力的相对关系实现梁铰机制：同一节2 / 6 点上、下柱端截面的弯矩设计值之和，大于两侧 梁端截面实配钢筋计算得到的受弯承载力之和，即 c= ( 其中， 为大于 系数。 ) 二、延性框架梁抗震设计 梁是钢筋混凝土框架的主要延性耗能构件。影响梁的延性和耗能的主要因素有：破坏形态，截面混凝土相对受区高度等。 1实现弯曲破坏，避免剪切破坏 梁的破坏形态可以归纳为两种：弯曲破坏和剪切破坏。剪切破坏属延性小、耗能差的脆性破坏。延性框架梁端的塑性铰区，应采用 “ 强剪弱弯 ”设计，实现弯曲破坏，避免剪切破坏。为实现 “ 强剪弱弯 ”梁截面的受剪承载力应大于其实际受弯承载力所对应的剪力 。 2限制最大剪力设计值 梁截面的剪力设计值大、截面尺寸小，会导致截面平均剪应力与混凝土轴心抗压强度的比值很大，在这种情况下，增加箍筋不能有效提高截面的受剪承载力，也不能有效地防止过早出现斜裂缝，可能出现脆性的剪切破坏。因此限制剪压比是十分必要的。 3限制受拉钢筋，配置受压钢筋 梁的弯曲破坏可以归纳为三种形态：少筋破坏、超筋破坏和适筋破坏。我们知道少筋破坏和超筋破坏是脆性破坏，而适筋破坏属于延性破坏。所以在设计中梁的受拉钢筋控制在一定范围内。若梁纵筋的配筋率小于某一值即出现少筋破坏，该值称为最小配筋 率。3 / 6 为了避免少筋破坏，梁纵筋的配筋率必须大于最小配筋率。当受拉钢筋屈服与受压区边缘混凝土达到极限压应变同时发生时，称为界限破坏，此时梁的配筋率称为界限配筋率，为钢筋达到屈服的最大配筋率。梁纵筋的配筋率若大于最大配筋率，则出现超筋破坏。为避免超筋破坏，梁纵筋的配筋率不能大于最大配筋率。 4梁端塑性铰区箍筋加密 根据实验研究和震害调查，框架梁端破坏主要集中在 1性铰区不仅有竖向裂缝，而且有斜裂缝；在地震力的往复作用下，竖向裂缝贯通，斜裂缝交叉，混凝土的粘结作用渐渐丧失，主要 靠箍筋和纵筋的销键作用传递剪力，这是十分不利的。为了使塑性铰区具有良好的塑性转动能力，在梁的两端设置箍筋加密区。箍筋加密区配置的箍筋应满足按强剪弱弯确定的箍筋量，还应满足按抗震构造措施确定的箍筋量。 三、延性框架柱抗震设计 1采用大剪跨比柱，避免小剪跨比柱 剪跨比反映了柱端截面承受的弯矩和剪力的相对大小。柱的破坏形态与其剪跨比有关。剪跨比大于 2 的柱为长柱，其弯矩相对较大，一般容易实现延性压弯破坏；剪跨比不大于 2、但大于 柱为短柱，一般发生剪切破坏，若配置足够的箍筋，也可能实现延性较好的剪切受压破坏； 剪跨比不大于 / 6 一般发生剪切斜拉破坏，工程中应尽量避免采用极短柱。初步设计阶段，也可以假设柱的反弯点在高度的中间，用柱的净高与计算方向柱截面高度的比值判别是长柱还是短柱：比值大于 4 为长柱， 3 与 4之间为短柱，不大于 3为极短柱。 钢筋混凝土柱为短柱或极短柱时，可以采用多种措施使其成为长柱，措施之一是采用分体柱。 2限制轴压比 柱的轴压比定义为柱的平均轴向压应力与混凝土轴心抗压强度设计值的比值。在压力和弯矩共同作用下，压弯破坏柱的延性和耗能能力与其偏心矩的大小以及纵向配筋率有关。相对偏心矩较 大、且受拉钢筋的配筋率合适时，截面受拉侧混凝土开裂，受拉钢筋屈服，最后受压钢筋屈服，受压区混凝土压碎而破坏。这种破坏形态称为受拉破坏，也称为大偏心受压破坏，破坏前有明显的预兆，塑性变形较大。相对偏心矩较小、或相对偏心矩较大但纵向受拉钢筋配置较多时，受拉钢筋不屈服，最后为受压区混凝土压碎而破坏。这种破坏形态称为受压破坏，破坏为脆性，变形小。相对偏心矩较大、纵向受拉钢筋较多的情况类似于超筋梁，可以通过减少纵筋避免脆性破坏。相对偏心矩较小的情况称为小偏心受压破坏。大偏心受压与小偏心受压的分界偏心矩值称为相对界限偏 心矩。相对偏心矩大于相对界限偏心矩时为大偏心受压，否则为小偏心受压。 3提高纵筋的配筋率 提高柱的纵向钢筋的配筋率，可以提5 / 6 高其轴压承载力，降低轴压比；同时，还可以提高轴压力作用下的正截面承载力，推迟屈服。 4箍筋约束塑性铰区混凝土 框架柱的箍筋有三个作用：抵抗剪力，对混凝土提供约束，防止纵筋压屈。箍筋对混凝土的约束程度是影响柱的延性和耗能能力的主要因素之一。约束程度与箍筋的抗拉强度和数量有关，与混凝土强度有关。箍筋约束使混凝土的轴心抗压强度和对应的轴向应变提高、混凝土的极限压应变增大。 对于轴压比不同而 其他条件相同的大偏心受压柱，轴压比大，其截面混凝土的压应变也大，与混凝土极限压应变之间的差值小，塑性变形能力也小。为了使不同轴压的框架柱具有大体上相同的塑性变形能力，轴压比大的柱，其配箍特征值大，轴压比小的柱，其配箍特征值小。小偏心受压破坏的钢筋混凝土柱，配值一定量的箍筋，也可以实现有一定延性的破坏形态。 四、延性框架节点抗震设计 框架节点核心区受力比较复杂，在地震和竖向荷载作用下，主要是剪力和压力。节点核心区可能出现的破坏形式有两种：剪压破坏和粘结锚固破坏。核心区的受剪承载力一般都不足，在剪压作用下出现斜 裂缝，在地震往复作用下，形成交叉裂缝使混凝土挤碎，纵向钢筋压屈为灯笼状。另一方面，在地震往复作用下，框架梁伸入核心区的纵筋与混凝土间的粘结破坏，导致梁端转角增大，6 /