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1、鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)的抗震延性設(shè)計(jì)研究摘要：增強(qiáng)結(jié)構(gòu)延性是提高建筑抗震性能的重要措施，所以地震區(qū)的建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)成延性結(jié)構(gòu)。為了合理提高抗震結(jié)構(gòu)的延性性能，應(yīng)對(duì)抗震概念設(shè)計(jì)和構(gòu)造措施予以重視，合適的概念設(shè)計(jì)和構(gòu)造措施對(duì)結(jié)構(gòu)的延性起著至關(guān)重要的作用。關(guān)鍵詞：抗震設(shè)計(jì)；建筑結(jié)構(gòu)；耗能；延性Abstract: Enhanced ductility is an important measure to improve building seismic performance, so the architectural structure of the earthquake zone should be 2、designed as a ductile structure. Reasonable to improve the ductility of the seismic structure, to cope with the seismic concept design and construction measures to be attached to the concept of design, and construction of measures the ductility of the structure plays a vital role.Key words: seismic 3、design; building structure; energy consumption; ductility一 建筑結(jié)構(gòu)抗震延性設(shè)計(jì)的內(nèi)涵結(jié)構(gòu)延性是指構(gòu)件和結(jié)構(gòu)在屈服后，具有承載力不降低或者基本不降低，且具有足夠塑性變形能力的一種性能。結(jié)構(gòu)的延性常常用延性比來(lái)表示。其含義有四層：整體與局部的協(xié)同；結(jié)構(gòu)整體延性；構(gòu)件延性；節(jié)點(diǎn)延性。結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)是指在計(jì)算或設(shè)計(jì)中，對(duì)難以做出具體規(guī)定的問(wèn)題，運(yùn)用力學(xué)、材料等相關(guān)知識(shí)進(jìn)行概念的分析判斷，合理選用材料、結(jié)構(gòu)形式，控制產(chǎn)生塑性鉸的順序和位置并采取相應(yīng)措施實(shí)現(xiàn)通過(guò)塑性鉸區(qū)域的變形，能夠有效地吸收和耗散地震能量；同時(shí)，這種變形降低了結(jié)構(gòu)的剛度，致使結(jié)構(gòu)4、在地震作用下的反應(yīng)減小，也就是使地震對(duì)結(jié)構(gòu)的作用力減小，以達(dá)到提高結(jié)構(gòu)延性合理抗震設(shè)計(jì)的目的。二提高結(jié)構(gòu)整體延性的原則和重要性結(jié)構(gòu)整體延性設(shè)計(jì)的獲得主要依賴(lài)于建筑材料選擇，結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)體系的合理布置，對(duì)框架梁、柱、節(jié)點(diǎn)的合理設(shè)計(jì)及采取的相關(guān)構(gòu)造措施實(shí)現(xiàn)。結(jié)構(gòu)體系上設(shè)置和控制塑性鉸出現(xiàn)的順序、位置、轉(zhuǎn)動(dòng)能力，塑性鉸出現(xiàn)和轉(zhuǎn)動(dòng)量大小依次應(yīng)為板、連續(xù)梁、框架梁、框架柱。框架梁、柱塑性鉸應(yīng)距節(jié)點(diǎn)適當(dāng)位置。結(jié)構(gòu)形式上對(duì)于高層建筑多使用鋼骨一混凝土組合結(jié)構(gòu)，或者是鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，尤其是鋼管混凝土，更將這兩種材料能動(dòng)地結(jié)合起來(lái)，鋼管混凝土借助鋼管對(duì)核心混凝土的約束，使鋼管混凝土結(jié)構(gòu)具備了高剛度、高抗力和更大的5、變形能力，而填充混凝土則可以減少鋼管的局部屈曲變形，防止隨之而來(lái)的鋼管抗力的下降，且因混凝填滿了整個(gè)鋼管，不易出現(xiàn)一般鋼筋混凝土和鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)中發(fā)生的混凝土開(kāi)裂、脫落現(xiàn)象，依靠套箍作用提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度和延性。 目前，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的基本原則是：“ 小震不壞，中震可修，大震不倒”。如果把建筑物設(shè)計(jì)成在強(qiáng)烈地震作用下仍呈彈性反應(yīng)，那么建筑物的造價(jià)將是十分昂貴的。把建筑物設(shè)計(jì)成在強(qiáng)烈地震作用下呈非線性反應(yīng)，進(jìn)入屈服狀態(tài)，靠結(jié)構(gòu)的延性耗散地震能量，從而度過(guò)災(zāi)難而不倒塌，建筑物的造價(jià)比前者大大降低。此外，結(jié)構(gòu)的延性也是建筑物遇到意外超載、碰撞、爆炸和基礎(chǔ)沉降等引起超過(guò)設(shè)計(jì)預(yù)計(jì)的內(nèi)力和變形是而不突然6、倒塌的保證。在現(xiàn)代房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，延性研究越來(lái)越顯得重要，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)延性的研究是塑性設(shè)計(jì)方法和抗震設(shè)計(jì)理論發(fā)展的基礎(chǔ)。所謂延性是指材料、構(gòu)件和結(jié)構(gòu)在荷載作用下，進(jìn)入非線性狀態(tài)后在承載能力沒(méi)有顯著降低情況下的變形能力。描寫(xiě)延性常用的變量有：材料的韌性，截面的曲率延性系數(shù)，構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的位移延性系數(shù)，塑性鉸轉(zhuǎn)角能力，滯回曲線，耗能能力等。試驗(yàn)和非線性計(jì)算分析表明：構(gòu)件的結(jié)構(gòu)的破壞由受拉鋼筋引起的，常表現(xiàn)出良好的延性，如適筋梁、大偏心受壓柱等；而破壞由混凝土拉斷、剪壞和壓潰控制的常表現(xiàn)為脆性，如素混凝土板、超盡梁、地震作用下剪切破壞的短柱等。在地震作用下，混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的破壞可分為脆性破壞和延性7、破壞兩種，其中脆性破壞的危害時(shí)非常大的，設(shè)計(jì)上是一定要避免的，而延性破壞時(shí)指構(gòu)件承載力沒(méi)有顯著降低的情況下，經(jīng)歷很大的非線性變形后所發(fā)生的破壞，在破壞前能給人以警示。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的各類(lèi)構(gòu)件應(yīng)具有必要的強(qiáng)度和剛度，并具有良好的延性性能，避免構(gòu)件的脆性破壞，從而導(dǎo)致主體結(jié)構(gòu)受力不合理，地震時(shí)出現(xiàn)過(guò)早破壞。因此，可以采取措施，做好延性設(shè)計(jì)，防止構(gòu)件在地震作用下提前破壞，并避免結(jié)構(gòu)體系出現(xiàn)不應(yīng)有的破壞。三鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的延性抗震設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)遭遇罕遇大震時(shí)，將進(jìn)人塑性階段而產(chǎn)生較大變形，要求結(jié)構(gòu)在保持一定承載能力的條件下通過(guò)塑性變形來(lái)吸收地震能量，以提高結(jié)構(gòu)的抗震能力，因此，鋼筋砼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)均要求結(jié)構(gòu)滿8、足基本的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，如平面布局的規(guī)則性，豎向剛度的連續(xù)性等，并要求實(shí)現(xiàn)以“強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)剪弱彎，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、強(qiáng)錨固”的延性框架概念設(shè)計(jì)，并輔以必要的構(gòu)造措施來(lái)保證結(jié)構(gòu)局部薄弱區(qū)域的強(qiáng)度與剛度，以加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性，增強(qiáng)延性，從而提高變形能力。1 強(qiáng)柱弱梁合理地選擇框架結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理是框架結(jié)構(gòu)延性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。強(qiáng)柱弱梁型對(duì)應(yīng)的破壞機(jī)理系在框架梁上首先出現(xiàn)塑性鉸，通過(guò)梁上塑性鉸的形成來(lái)消耗巨大的地震作用，從而降低地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)的反應(yīng)當(dāng)結(jié)構(gòu)經(jīng)受較大側(cè)向位移時(shí)，要確保框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并維持它承受豎向荷載的能力，就必須要求非彈性變形一般只限于梁內(nèi)，從而保證了框架柱具有足夠的抗彎承載能力儲(chǔ)備，大大減少柱端屈服的可能性9、。因此，框架結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)成強(qiáng)柱弱梁型，即要求框架節(jié)點(diǎn)處柱端實(shí)際受彎承載力要大于梁端實(shí)際受彎承載力，從而達(dá)到“強(qiáng)柱弱梁”的計(jì)算要求。2 強(qiáng)剪弱彎為使框架結(jié)構(gòu)具有良好的延性，首先結(jié)構(gòu)構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)不能發(fā)生脆性破壞。在強(qiáng)震作用下，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力將按照各構(gòu)件的實(shí)際承載能力進(jìn)行重分配，為防止梁、柱端塑性鉸區(qū)在彎曲屈服前出現(xiàn)脆性剪切破壞，就要求這些構(gòu)件的受剪承載力大于構(gòu)件屈服時(shí)實(shí)際達(dá)到的剪力值，這就是“強(qiáng)剪弱彎”的計(jì)算要求。框架結(jié)構(gòu)“強(qiáng)剪弱彎”的設(shè)計(jì)原則主要由設(shè)計(jì)剪力的計(jì)算、抗剪承載力計(jì)算公式的選取以及必要的構(gòu)造措施來(lái)體現(xiàn)。(1)設(shè)計(jì)剪力(作用效應(yīng))的計(jì)算與抗彎承載力的計(jì)算類(lèi)似，按抗震等級(jí)的不同采用地震效應(yīng)調(diào)整系數(shù)10、，但較抗彎承載力計(jì)算更嚴(yán)格，以相對(duì)提高抗剪承載力。同時(shí)為減少框架梁柱在非彈性反應(yīng)區(qū)域內(nèi)發(fā)生剪切破壞的危險(xiǎn)，梁(柱)端部的設(shè)計(jì)剪力應(yīng)與梁(柱)端部形成塑性鉸后的極限抗彎強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)；(2)抗剪計(jì)算公式的選取主要表現(xiàn)為考慮到地震作用的反復(fù)性及剪切問(wèn)題的離散性，采用在縱筋屈服后的偏下限抗剪承載力計(jì)算公式，并輔以一定的抗震構(gòu)造措施。與抗彎承載力的計(jì)算類(lèi)似，抗剪計(jì)算一方面需增大結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠度(提高作用效應(yīng))，而且更為重要的是應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)延性要求的不同，即抗震等級(jí)的不同，提出不同的抗剪承載力計(jì)算公式。3 強(qiáng)節(jié)點(diǎn)強(qiáng)錨固梁柱節(jié)點(diǎn)是保證框架結(jié)構(gòu)延性的關(guān)鍵部位，這就要求在梁鉸機(jī)構(gòu)充分發(fā)揮作用以前，框架節(jié)點(diǎn)和縱筋錨固11、不應(yīng)過(guò)早破壞。框架節(jié)點(diǎn)破壞主要是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)處核心區(qū)箍筋數(shù)量不足，在剪力與壓力的共同作用下，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)砼出現(xiàn)斜裂縫，箍筋屈服甚至拉斷，柱的縱筋被壓屈甚至拉斷而引起的。故規(guī)范通過(guò)保證核心區(qū)砼強(qiáng)度及配置足夠數(shù)量的箍筋來(lái)防止節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的過(guò)早剪切破壞，而強(qiáng)錨固要求則通過(guò)在靜力設(shè)計(jì)錨固長(zhǎng)度的基礎(chǔ)上疊加一定的抗震附加錨固長(zhǎng)度，利用鋼筋錨固端的機(jī)械錨固措施等來(lái)實(shí)現(xiàn)的。為保證梁柱屈服后節(jié)點(diǎn)仍對(duì)其有約束作用，框架節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)的規(guī)范進(jìn)行。 四保證建筑結(jié)構(gòu)抗震延性的整體措施（1）軸壓比限值：柱的軸壓比是影響框架結(jié)構(gòu)延性的重要因素。柱的延性隨軸壓比增大而減小，軸壓比超過(guò)界限值將發(fā)生小偏壓脆性破壞。在抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)12、控制柱的軸壓比不超過(guò)限值，使其發(fā)生大偏壓破壞并具有一定延性。規(guī)范規(guī)定，對(duì)于框架柱相應(yīng)于一、二、三級(jí)抗震時(shí)，軸壓比限值分別為0.7、0.8、0.9。這里規(guī)定的軸壓比限值系指柱軸壓力設(shè)計(jì)值與柱軸壓承載力設(shè)計(jì)值得比值。（2）縱筋的構(gòu)造要求：梁的延性隨截面受壓區(qū)高度減小而增大，一般截面受壓區(qū)高度=0.350.20ho時(shí)，位移延性系數(shù)相應(yīng)為34。所以規(guī)范規(guī)定，一級(jí)抗震等級(jí)時(shí)，0.25ho，二、三級(jí)抗震等級(jí)時(shí)，0.35h0，并且要求受壓鋼筋與受拉鋼筋之比控制在一定范圍內(nèi)，即A s0.5As（一級(jí)抗震），A s0.3As（二級(jí)抗震）。為防止過(guò)多的縱向受拉鋼筋在地震中使梁產(chǎn)生粘結(jié)劈裂破壞，規(guī)范還規(guī)定s2.5%13、。在地震作用下，梁的反彎點(diǎn)變化很難準(zhǔn)確預(yù)計(jì)，所以應(yīng)有足夠數(shù)量的鋼筋貫通梁的上、下部。同時(shí)將梁的最小配筋率比非地震作用時(shí)的規(guī)定予以提高。為防止地震作用下柱子少筋脆性破壞和超筋粘結(jié)劈裂破壞，柱的縱向配筋率不得少于0.8%、0.7%、0.6%、0.5%、（相應(yīng)于一、二、三、四級(jí)抗震等級(jí)），角柱的上述限值相應(yīng)提高0.1%；柱的縱向配筋率最大間距不宜超過(guò)200 mm。（3）箍筋的構(gòu)造要求：箍筋不僅提供構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的抗剪能力，確保“強(qiáng)柱弱梁”和“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”設(shè)計(jì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)還對(duì)梁、柱塑性鉸區(qū)混凝土和受壓鋼筋提供約束作用，延緩塑性鉸的破壞過(guò)程，從而改善結(jié)構(gòu)的延性和耗能能力。梁和柱的剪切破壞區(qū)和彎壓塑性鉸區(qū)均發(fā)14、生在構(gòu)件的兩端，因此應(yīng)對(duì)構(gòu)件兩端的箍筋加密設(shè)置。加密區(qū)的構(gòu)造要求包括加密區(qū)的長(zhǎng)度、箍筋最小直徑、最大間距和最小體積率的規(guī)定。同時(shí)規(guī)范還規(guī)定了箍筋延構(gòu)件全長(zhǎng)的最小體積率以及節(jié)點(diǎn)的最小體積率。其中柱加密區(qū)和節(jié)點(diǎn)的箍緊最小體積率除與抗震等級(jí)有關(guān)外，還與柱的軸壓比和箍筋的類(lèi)型有關(guān)。抗震等級(jí)高要求的最小體積率高、軸壓比高要求的最小體積率高，采用普通箍筋比采用螺旋箍筋要求的體積率高。對(duì)于一級(jí)抗震的角柱在地震作用下可能伴隨扭轉(zhuǎn)作用，Hn/h 小于4 的框架柱可能產(chǎn)生剪切破壞，這兩種情況需要在全長(zhǎng)加密箍筋。可見(jiàn)箍筋的構(gòu)造規(guī)定是保證“大震不倒”設(shè)計(jì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的最重要的措施。總之，我國(guó)現(xiàn)行抗震規(guī)范(GB50011215、001)對(duì)框架結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計(jì)著重在概念設(shè)計(jì)，但框架結(jié)構(gòu)在進(jìn)入彈塑性階段后的抗震性能主要還是依靠抗震措施來(lái)保證。框架結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)與變形能力及其與構(gòu)件的變形能力至今仍無(wú)明顯的定量關(guān)系。在框架結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計(jì)中如何實(shí)現(xiàn)其在抗震措施的定量化并在設(shè)計(jì)中付諸實(shí)施，仍是一個(gè)值得大家共同研究、探討的問(wèn)題。參考文獻(xiàn)：1GB500112001，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范S2GB500102002，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范S3左宏亮，戴納新，王濤建筑結(jié)構(gòu)抗震M北京：中國(guó)水利水電出版社，20094郝進(jìn)鋒，王振地震區(qū)城鎮(zhèn)建筑框架結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)J世界地震工程，2007(3)：1201235尚建寧多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)J山西建筑，2007，33(3)：1718