延性钢筋混凝土框架结构的设计要点.pdf

建材世界 2 0 1 2 年第3 3 卷第4 期 d o i ：1 0 3 9 6 3 j i s s n 1 6 7 4 6 0 6 6 2 0 1 2 0 4 0 2 4 延性钢筋混凝土框架结构的设计要点 申健 ( 河南省安阳市建筑设计研究院，安阳4 5 5 0 0 0 ) 摘要：该文从框架结构延性设计的重要性开始，探讨了结构延性的主要影响因素，并提出了一些框架结构延性 优化设计方法和工程措施。 关键词：延性；框架结构；地震；优化设计 D e s i g nF e a t u r e so fD u c t i l eR e i n f o r c e dC o n c r e t e F r a m eS t r u c t u r e S H E N J i a n ( A n y a n g I n s t i t u t eo fA r c h i t e c t u r a lD e s i g n ，A n y a n g4 5 5 0 0 0 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：T h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e dt h ei m p o r t a n c eo fd u c t i l i t yd e s i g no ff r a m es t r u c t u r e ，a n dt h e nd i s c u s s e dt h e m a i nf a c t o r so ft h es t r u c t u r ed u c t i l i t y ，a n dp r o p o s e ds o m eo p t i m a ld e s i g nm e t h o d sa n de n g i n e e r i n gm e a s u r e so nt h e f r a m es t r u c t u r ed u c t i l i t y K e yw o r d s ：d u c t i l i t y ；f r a m es t r u c t u r e ；e a r t h q u a k e ；o p t i m a ld e s i g n 框架是框架结构中主要的抗侧力部件和竖向承重部件，地震工作及震害分析表明，要使框架结构具有较 好的抗震性能，特别是罕见地震的作用下，不至于发生倒塌危及生命安全的严重破坏，首先要确定结构具有 足够的延性 2 。在地震作用下，钢筋混凝土结构或构件的破坏可分为脆性破坏和延性破坏两种，其中脆性破 坏的危害非常大，结构设计时一定要避免，而延性破坏是指构件承载力没有显著降低的情况下，经历较大的 非线性变形后所发生的破坏，在结构破坏前能给人以警示，确保人员和财产安全。钢筋混凝土结构的各类构 件应具有必要的强度和刚度，并具有良好的延性性能，力求避免构件的脆性破坏导致主体结构受力不合理及 地震时出现过早破坏。因此，可以采取措施，做好延性设计，防止构件在地震作用下提前破坏，并避免结构体 系出现不应有的破坏。 1 延性设计的重要性 1 9 7 6 年唐山大地震和2 0 0 8 年汶川大地震给人们带来的严重的危害和深刻的教训，对现代结构的抗震 设计提出了更高的要求和期许。现阶段我国抗震设防的基本思想和原则是以“小震不坏，中震可修，大震不 倒”的“三个水准”为抗震设防目标。为了实现结构的抗震设防目标，结构除了要有足够大的承载力和足够的 刚度外，还对结构的延性和耗能能力提出较高的要求。建筑物设计时，如果建筑物在强震作用下仍呈弹性反 应，将耗费大量的建材，造价昂贵不经济。若建筑物设计在强震作用下呈非线性反应，进入屈服状态后，结构 的延性性能将耗散地震能量 3 ，从而可以有效地度过灾难而不倒塌，建筑物的造价比前者大大降低。此外， 在建筑物遇到意外超载、碰撞、爆炸和基础沉降等超过设计预计的内力和变形时，结构的延性也能保证结构 不致于突然倒塌而威胁生命安全。 在实际工程中延性结构的主要优点有： 1 ) 结构破坏前有明显预兆，破坏过程缓慢，确保生命安全，减少财产损失，因而可采用偏小的计算安全可 收稿日期：2 0 1 2 0 6 - 1 2 作者简介：申健( 1 9 8 1 一) ，工程师E - m a i l ：e l o w n a a a a 1 6 3 c o r n 8 3 万方数据 建材世界 2 0 1 2 年第3 3 卷第4 期 靠度。 2 ) 对结构未计入的荷载，例如偶然超载，荷载反向，温度升高或基础沉降引起附加内力等，延性材料的优 越变形能力可作为设计中未予考虑因素的安全储备，对其有较强的承受和抵抗能力。 3 ) 有利于实现超静定结构的内力充分重分布。延性结构容许构件的某些临界截面有一定的转动能力， 形成塑性铰区域，产生内力重分布，从而使钢筋混凝土超静定结构能够按塑性方法进行设计，得到有利的弯 矩分布，使配筋合理，节约材料，而且便于施工。 4 ) 在承受动力作用( 如振动、地震、爆炸等) 情况下，能减小惯性力，吸收更大动能，降低动力反应，减轻破 坏程度，防止结构倒塌以及有利于修复。 5 ) 延性结构的后期变形能力，可以作为各种意外情况时的安全储备。 结构抗震的本质就是运用材料、构件的非线性性质，提高结构整体延性性能。以构件承受弯矩作用为 例，随着荷载增加，裂缝首先在混凝土受拉区出现，产生非弹性变形，随后受拉钢筋屈服，混凝土受压区高度 逐渐减小，受压区混凝土压碎，构件最终破坏。由此可见，在受拉钢筋屈服到受压区混凝土压碎的受力过程 中，构件的承载能力并没有太大变化，其变形在逐步增大，表现出构件的延性特性。 2 结构延性的影响因素 2 1 纵向钢筋配筋率 试验研究结果表明，当梁纵向受拉钢筋配筋率很高的情况下，所受的弯矩荷载达到最大值后，弯矩一曲率 曲线随后会进人下降段；而当纵向钢筋配筋率较低时，弯矩达到最大值后，弯矩一曲率曲线能保持较长的水平 段后再进入下降段，因而相当程度上提高了梁的延性和耗能的能力。从受力协调作用来看，当梁的纵向配筋 率为平衡配筋率时，可同时发生纵向受拉钢筋屈服与压区混凝土压碎，可以很好的提高结构承载和延性变形 能力。因此，采用合理的纵向受拉钢筋配筋率，可以保证构件具有足够的延性，同时在混凝土受压区配置受 压钢筋，可以适当减少相对受压区高度，同样可以使构件延性得到改善。 2 2 横向钢筋 在受压构件、压弯构件中，封闭式箍篾、螺旋筋等密排横向钢簸的配置，可以使混凝土的横向变形得到限 制，从而使构件的承载力和极限变形能力提高，结构构件在极限荷载下延性性能增强。箍筋对构件延性的贡 献，取决于箍筋的形式和体积配箍率。研究结果表明，不同形式的箍筋对核心区混凝土产生不同的约束作 用。螺旋箍筋对核心区混凝土产生均匀分布的侧向压力，使混凝土处于三向受压状态，提高混凝土的承载力 和变形性能，而矩形箍筋只对角隅处混凝土产生有效的约束，受荷后未得到有效约束的侧面混凝土有外凸的 趋势，使得整体约束作用效果降低。因此，设置螺旋箍筋的构件较配有矩形箍筋的构件具有更好的延性。 2 3 构件的破坏类型 一般而言，可将混凝土框架结构中截面的破坏形态分为剪切破坏、弯曲破坏、大偏心和小偏心的受压破 坏4 种，而按受力特点可分受压破坏和受拉破坏2 类。其中，弯曲破坏和大偏心受压破坏属于受拉破坏，剪 切破坏和小偏心受压破坏属于受压破坏。受拉破坏，即由受拉钢筋屈服引起的破坏，受拉钢筋受力进入屈服 阶段后形成塑性铰。由于形成了塑性铰，在截面达到承载力极限状态前，需要经历较大的塑性变形引起截面 裂缝急剧开展和变形急剧增加，随后混凝土才达到极限压应变压碎，达到承载力极限状态，截面破坏阶段能 给入以明显的破坏预兆，具有延性破坏的性质弘 ；受压破坏即是由受压混凝土压碎引起或斜截面控制的破 坏，破坏过程中由于未形成塑性铰，不产生明显的塑性变形，结构破坏前不能给人以明显的预兆，带有一定的 突然性和结果的严重性，具有脆性破坏的性质。因此，一般情况下截面出现受压破坏时，塑性变形小，结构延 性差；而出现受拉破坏时，塑性变形大，结构延性好。 3 提高钢筋混凝土结构延性的措施 3 1 结构材料选取 对于采用冷拉钢筋、高强钢筋( 丝) 和钢绞线等延伸率较低的预应力混凝土结构，可适当配置热轧非预应 力钢筋，保证配筋指数不超过限制并适当提高箍筋的构造要求，结构的延性也能达到抗震要求。因此，为确 保钢筋与混凝土的粘结，规范规定：一级抗震的框架结构所用混凝土强度等级不低于C 3 0 ，其它抗震等级时 8 4 万方数据 建材世界 2 0 1 2 年第3 3 卷第4 期 混凝土的强度等级应不低于C 2 0 ，C 6 0 和C 6 0 以上的高强混凝土本身的韧性降低，对结构的延性不利。 3 2 轴压比限制 在结构抗震设计中，应控制柱的轴压比不超过限值，使其发生大偏压破坏，并具有一定延性。规范规定： 对于框架结构柱，一、二、三级抗震时，轴压比限值( 此处的轴压比限值是指柱轴压力设计值与柱轴压承载力 设计值的比值) 分别为0 6 5 、0 7 5 、0 8 5 。 3 3 纵筋的构造要求 为防止因纵向受拉钢筋过多导致在地震中梁产生粘结劈裂破坏，规范还规定p s 2 5 。在地震作用 下，应采用足够数量的钢筋贯通梁的上、下部，以弥补梁的反弯点变化难准确预计带来的影响，同时将梁的最 小配筋率予以适当提高。为防止地震作用下，柱发生少筋脆性破坏和超筋粘结劈裂破坏，相应于一、二、三、 四级抗震等级柱的纵向配筋率分别不得少于1 o 、0 8o A 、0 7 、0 6 ，角柱的限值相应提高0 1 ，并柱 的最大纵向钢筋间距不超过2 0 0m m 。 3 4 箍筋的构造要求 对于一级抗震的角柱，在地震作用下可能会产生扭转；当H 。肛小于4 时，框架柱可能产生剪切破坏，这 两种情况需要在全长加密箍筋。可见，箍筋的构造规定是保证“大震不倒”设计目标实现的最重要的工程措 施。 4 结论 钢筋混凝土结构的各类构件应具有必要的强度和刚度，并具有良好的延性性能，避免构件的脆性破坏， 从而导致主体结构受力不合理，地震时出现过早破坏。因此，可以采取措施，做好延性设计，防止构件在地震 作用下提前破坏，并避免结构体系出现不应有的破坏。结构抗震的本质就是提高结构延性以增加结构抗震 潜力，增强结构的抗倒塌能力。在结构抗震设计中，有效利用结构的弹塑性变形能力来耗散地震能量，减轻 地震作用下结构的反应，可将钢筋混凝土框架结构进行延性设计，提高结构性能。 参考文献 1 南喜涛，高文妹钢筋混凝