李靜娟

試論延性鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及其意義

李靜娟

（天津交通職業(yè)學(xué)院，天津市 300110）

鋼筋混凝土抗震結(jié)構(gòu)不僅要滿足強(qiáng)度要求，還必須滿足延性要求。建筑結(jié)構(gòu)的延性是保證建筑物在受到地震力、風(fēng)力等荷載的作用下具有一定的耗能能力、產(chǎn)生可控塑性變形破壞、避免突然脆性破壞的主要條件。文章介紹了框架結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)和延性設(shè)計(jì)的意義，通過分析多次震害框架結(jié)構(gòu)破壞特點(diǎn)，提出了延性設(shè)計(jì)的一些思路和方法。

鋼筋混凝土框架；抗震設(shè)計(jì)；延性結(jié)構(gòu)；變形能力

地震具有隨機(jī)性、不確定性和復(fù)雜性，要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)建筑物所遭遇地震的特性和參數(shù)，目前是很難做到的。但是對(duì)歷次的震害分析，結(jié)構(gòu)具有良好的延性有助于減小地震作用，吸收與耗散地震能量，避免結(jié)構(gòu)倒塌。結(jié)構(gòu)的延性可定義為結(jié)構(gòu)在承載力無明顯降低的前提下發(fā)生非彈性變形的能力。結(jié)構(gòu)的延性反映了結(jié)構(gòu)的變形能力，在結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)中，延性的大小已作為衡量結(jié)構(gòu)物抗震能力強(qiáng)弱的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。

一、框架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

框架結(jié)構(gòu)由于建筑平面布置靈活，可以取得較大的使用空間，因此，廣泛應(yīng)用于學(xué)校、商場(chǎng)、醫(yī)院及辦公類建筑。這類建筑一般為5～10層，柱距均較大，其整體側(cè)向剛度較小，在強(qiáng)烈地震作用下側(cè)向變形較大，易造成部分框架柱失穩(wěn)破壞，由于贅余度較少，容易形成連續(xù)倒塌機(jī)制，從而使結(jié)構(gòu)整體倒塌傾覆。

二、框架結(jié)構(gòu)震害分析

通過分析歷次地震震害現(xiàn)象我們發(fā)現(xiàn)，在我國及其他國家的歷次地震中，框架結(jié)構(gòu)的震害情況總體上較砌體房屋輕，但是有相當(dāng)數(shù)量的框架結(jié)構(gòu)發(fā)生了較嚴(yán)重的破壞，主要震害現(xiàn)象表現(xiàn)為：結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震下整體倒塌；結(jié)構(gòu)薄弱層屈服倒塌；柱端出現(xiàn)塑性鉸，未實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”屈服機(jī)制，幾乎沒有看到設(shè)計(jì)規(guī)范所要求的“強(qiáng)柱弱梁”破壞機(jī)制；梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)破壞比較普遍；填充墻不合理設(shè)置或錯(cuò)層形成短柱剪切破壞；填充墻不合理設(shè)置造成結(jié)構(gòu)實(shí)際層剛度不均勻，導(dǎo)致底部樓層側(cè)移過大，并導(dǎo)致倒塌；圍護(hù)結(jié)構(gòu)和填充墻等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件嚴(yán)重開裂和破壞。

三、框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的基本原則

通過研究歷次地震震害，發(fā)現(xiàn)有一定數(shù)量的框架結(jié)構(gòu)沒有明顯破壞或者破壞輕微。我們發(fā)現(xiàn)這些建筑之所以損壞較輕，與其良好的抗震概念設(shè)計(jì)密不可分，而結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計(jì)功不可沒。為達(dá)到良好的抗震性能，設(shè)計(jì)人員應(yīng)把握以下原則。

1．采用合理的建筑平立面

建筑物的動(dòng)力性能基本上取決于其建筑布局和結(jié)構(gòu)布置。建筑布局簡(jiǎn)單合理，結(jié)構(gòu)布置符合抗震原則，就能從根本上保證房屋具有良好的抗震性能。

2．提高延性設(shè)計(jì)

我們知道結(jié)構(gòu)延性和耗能的大小，取決于構(gòu)件的破壞形態(tài)及其塑化過程，彎曲構(gòu)件的延性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于剪切構(gòu)件，構(gòu)件彎曲屈服直至破壞所消耗的地震輸入能量，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于構(gòu)件剪切破壞所消耗的能量。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)力求避免構(gòu)件的剪切破壞，爭(zhēng)取更多的構(gòu)件實(shí)現(xiàn)彎曲破壞。

（1）強(qiáng)柱弱梁框架。延性結(jié)構(gòu)在中震下就會(huì)出現(xiàn)塑性鉸，應(yīng)控制塑性鉸出現(xiàn)的部位，使結(jié)構(gòu)具有良好的通過塑性鉸耗散能量的能力，同時(shí)還要有足夠的剛度和承載能力以抵抗地震。在設(shè)計(jì)延性框架時(shí)，要控制塑性鉸，使之在梁端出現(xiàn)（不允許在跨中出塑性鉸），盡量避免或減少柱子中的塑性鉸，這一概念稱為強(qiáng)柱弱梁。如梁端出現(xiàn)塑性鉸，則數(shù)量多但結(jié)構(gòu)不至形成機(jī)構(gòu)；如果在同一層柱上下端出現(xiàn)塑性鉸，該層結(jié)構(gòu)將不穩(wěn)定而倒塌，抗震結(jié)構(gòu)應(yīng)絕對(duì)避免這種薄弱層。柱是壓彎構(gòu)件，軸力大，其延性不如受彎構(gòu)件；而且作為結(jié)構(gòu)的主要承重構(gòu)件，柱子破損不易修復(fù)，也容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)倒塌，將引起嚴(yán)重后果，因此，延性框架應(yīng)設(shè)計(jì)成強(qiáng)柱弱梁結(jié)構(gòu)。

（2）強(qiáng)剪弱彎構(gòu)件。必須保證梁、柱構(gòu)件具有足夠的延性，其要害是防止構(gòu)件過早出現(xiàn)剪切破壞，即要求按強(qiáng)剪弱彎設(shè)計(jì)構(gòu)件，并采取措施使構(gòu)件中塑性鉸出現(xiàn)后還有足夠大的塑性變形能力。

（3）強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、強(qiáng)錨固。必須保證各構(gòu)件的連接部位不過早破壞，這樣才能充分發(fā)揮構(gòu)件塑性鉸的延性作用。連接部位是指節(jié)點(diǎn)區(qū)，支座連接和鋼筋錨固等。因此，延性框架中應(yīng)設(shè)計(jì)強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、強(qiáng)錨固。始終遵循“強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、強(qiáng)錨固”原則。構(gòu)件的破壞和退出工作，使整個(gè)結(jié)構(gòu)從一種穩(wěn)定體系過渡到另外一種穩(wěn)定體系，致使結(jié)構(gòu)的周期發(fā)生變化，以避免地震卓越周期長時(shí)間持續(xù)作用引起的共振效應(yīng)。

四、延性框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的具體問題

通過大量震害調(diào)查、試驗(yàn)、理論分析和設(shè)計(jì)實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)延性框架設(shè)計(jì)的要點(diǎn)如下：

1．結(jié)構(gòu)體系宜具有多道抗震防線，應(yīng)避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞而導(dǎo)致整個(gè)體系喪失抗震能力或?qū)χ亓奢d的承載能力

純框架結(jié)構(gòu)僅為一道抗震防線，合理設(shè)置填充墻不僅可顯著增大框架結(jié)構(gòu)的抗震承載力，還可以作為框架結(jié)構(gòu)的第一道抗震防線，使框架結(jié)構(gòu)形成具有二道抗震防線的抗震體系。

（1）合理設(shè)置填充墻。我們知道，普通填充墻并不能稱之為第一道防線，但可通過合理的構(gòu)造措施實(shí)現(xiàn)，如設(shè)置構(gòu)造柱、水平系梁、拉結(jié)鋼筋等，提高填充墻的變形能力，包括抗裂能力和抗倒塌能力。填充墻在中震下發(fā)生一定程度的開裂應(yīng)屬于正常，但應(yīng)控制在可修范圍，并且應(yīng)保證大震下填充墻不倒塌。在小震和中震下，填充墻與框架部分共同承擔(dān)地震作用，并允許中震下填充墻部分開裂，大震下填充墻嚴(yán)重開裂，基本退出工作，整體結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度顯著降低，主要由框架部分繼續(xù)承擔(dān)地震作用。這種組合墻應(yīng)作為整體結(jié)構(gòu)抗震的組成部分，在整體結(jié)構(gòu)的抗震分析和設(shè)計(jì)中就要給予考慮，且相應(yīng)的構(gòu)造措施也要予以保證，并在施工中落實(shí)。

（2）增加柱間鋼斜撐或柱子兩側(cè)增加鋼筋混凝土翼墻。既然框架柱這種豎向構(gòu)件來抵抗巨大的水平地震作用會(huì)很不利，直接通過大幅增加柱截面和縱筋、箍筋配筋率來實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”，這樣的柱估計(jì)要做得非常大；不如直接考慮優(yōu)化結(jié)構(gòu)體系為好。可以采用在柱間布置鋼斜撐，用這些斜撐來抵抗地震的水平力。注意到汶川地震災(zāi)區(qū)的一些工業(yè)廠房，由于布置了斜撐，雖然有的斜撐已經(jīng)被壓曲或拉斷，但實(shí)際上框架柱得到了保全，實(shí)現(xiàn)了大震時(shí)主體結(jié)構(gòu)“大震不倒”的目標(biāo)。日本的許多框架結(jié)構(gòu)就采用了這種做法，對(duì)建筑影響也較小，用在既有結(jié)構(gòu)加固上也方便，很容易推廣。柱子兩側(cè)增加鋼筋混凝土翼墻，計(jì)算時(shí)仍按框架結(jié)構(gòu)考慮，翼墻只作為第一到防線，吸收地震能量，防止柱子破壞，導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)倒塌，近年的地震，如臺(tái)灣的集集地震和汶川地震都驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

2．減少梁端超配，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)柱弱梁

在強(qiáng)震作用下，框架結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”的條件是，梁柱節(jié)點(diǎn)處柱端實(shí)際受彎承載力之和Mcua大于梁端實(shí)際受彎承載力之和Mbua，即Mcua≥Mbua。但由于各種因素導(dǎo)致梁端實(shí)際抗彎承載力大與柱端承載力，難以形成強(qiáng)柱弱梁。實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮以下因素避免梁端鋼筋超配：

（1）如果不考慮樓板內(nèi)鋼筋對(duì)框架梁端抗彎承載力的貢獻(xiàn)，樓板有效翼緣內(nèi)的鋼筋屬于超配。

我國規(guī)范中雖然對(duì)豎向荷載作用下梁的剛度考慮了樓板的增強(qiáng)作用，將中梁和邊梁剛度一般分別放大到原來的2倍和1．5倍，但對(duì)框架現(xiàn)澆樓板內(nèi)與梁肋平行的鋼筋參與梁端負(fù)彎矩承載能力的問題沒有做出明確規(guī)定。目前國內(nèi)研究人員通過實(shí)驗(yàn)和計(jì)算分析，帶有翼緣的框架梁由于翼緣內(nèi)平行于梁肋的鋼筋參與受力，使得節(jié)點(diǎn)支座處的實(shí)際負(fù)向屈服彎矩比無翼緣梁的實(shí)測(cè)值提高了30%左右，已經(jīng)超過很多情況下柱端彎矩增大系數(shù)所包含的梁超強(qiáng)富余。

（2）梁底配筋由梁跨中正彎矩控制時(shí)，跨中梁底鋼筋過多伸入梁端柱內(nèi)錨固，導(dǎo)致梁端正彎矩鋼筋超配。

（3）實(shí)際工程中，梁端實(shí)配鋼筋通常大于計(jì)算鋼筋，也導(dǎo)致“超配”。

（4）填充墻等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件影響

實(shí)際工程中，圍護(hù)墻和填充墻通常直接在框架梁上砌筑，與框架梁共同受力，顯著減小框架梁彎曲變形，增大框架梁的剛度和抗彎承載力。解決梁端“超配”的根本辦法是按梁端“實(shí)配”驗(yàn)算。實(shí)際配筋時(shí)可考慮降低梁端負(fù)彎矩區(qū)配筋面積或提高柱端配筋面積以實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”。在目前計(jì)算手段下，實(shí)現(xiàn)這一方法是不困難的。

3．在抗震設(shè)計(jì)中重視框架柱的延性設(shè)計(jì)

框架柱承受壓力、彎距和剪力的共同作用，是一種復(fù)雜的受力體系，在歷次地震中，框架結(jié)構(gòu)的柱子的破壞程度要重于梁板，因此框架柱的抗震設(shè)計(jì)關(guān)系個(gè)整個(gè)結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)劣。

地震作用下框架柱的破壞一般發(fā)生在柱上下端，且梁頂柱底較多，柱端常出現(xiàn)水平或斜裂縫，嚴(yán)重時(shí)柱端混凝土壓碎，鋼筋壓曲。角柱破壞或中柱和邊柱嚴(yán)重。短柱剪切破壞在地震中很普遍。為了保證框架柱有足夠的承載力和必要的延性，在具體設(shè)計(jì)過程中必須考慮以下幾個(gè)方面的因素：

（1）在確定方案和布置結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)盡量避免短柱，并避免在同一層中同時(shí)存在短柱和長柱，否則需要采取特殊措施。

（2）柱內(nèi)優(yōu)先配置螺旋箍筋。汶川地震震害調(diào)查發(fā)現(xiàn)，配置螺旋箍筋的框架柱延性要明顯優(yōu)于復(fù)合箍筋柱，在配箍率大體相當(dāng)?shù)那闆r下，選擇螺旋箍筋有利于結(jié)構(gòu)抗震性能。

（3）控制框架柱的軸壓比不能過高。規(guī)范對(duì)框架柱的軸壓比限值過高使得框架柱的截面尺寸偏小等。雖然設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求，但是當(dāng)框架柱是按較高的軸壓比限值控制設(shè)計(jì)時(shí)，在高軸壓比情況下，在水平荷載施加之前，柱子己經(jīng)產(chǎn)生了較大的預(yù)壓應(yīng)變，預(yù)壓應(yīng)變降低截面的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力，使構(gòu)件的延性變差，所以軸壓比限值不能定的過高。加之其他不利因素的綜合效果，極易導(dǎo)致框架柱出鉸，甚至造成倒塌。這次汶川地震中，很多框架結(jié)構(gòu)的破壞和倒塌大多屬于這類情況，特別是空曠的純框架結(jié)構(gòu)建筑。

五、結(jié)論

結(jié)構(gòu)工程抗震問題不能完全依賴“計(jì)算設(shè)計(jì)”解決。應(yīng)立足于工程抗震基本理論及長期工程抗震經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的工程抗震基本概念，從“概念設(shè)計(jì)”的角度著眼于結(jié)構(gòu)的總體地震反應(yīng)，按照結(jié)構(gòu)的破壞過程，靈活運(yùn)用抗震設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，全面合理地解決結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的基本問題，既注意總體布置上的大原則，又顧及到關(guān)鍵部位的細(xì)節(jié)構(gòu)造，從根本上提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。才能 實(shí)現(xiàn)“大震不倒、中震可修、小震不壞”的設(shè)防目標(biāo)。

［1］黃世敏．建筑震害與設(shè)計(jì)對(duì)策［M］．北京：中國計(jì)劃出版社，2009．

［2］汶川地震建筑震害調(diào)查與災(zāi)后重建分析報(bào)告［M］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008．

Design Features and Significance On t he Ductile Reinf orced Concrete Fra me Str uctur e

LI Jing－juan

（Tianjin Transportation Vocational College，Tianjin 300110 China）

The seismic structure of reinforced concrete meets not only the strength requirements but also the ductility requirements．The ductility of building str uctures is to ensure that buildings have a certain energy dissipation capacity and defor mation to avoid sudden brittle damage in the earthquake and fierce wind．This thesis introduces the significance of frame str ucture design and ductile design．It also puts for ward some ideas and methods of ductile design by analyzing some damaged situations in the earthquakes．

reinforced concrete frame；seismic design；ductile str ucture；defor mation

TU375

A

1673－582 X（2011）11－0070－04

2011－05－25

李靜娟（1969－），女，河北唐山人。天津交通職業(yè)學(xué)院路橋系高級(jí)工程師，碩士學(xué)位，主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)工程。