李占升
摘要:汶川地震的發(fā)生,使我們認(rèn)識到了結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要性,重新修訂了一些規(guī)范。新規(guī)范對框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計提出了更高的要求,結(jié)構(gòu)計算更加復(fù)雜多樣,因此不可能一次完成,而應(yīng)當(dāng)從整體到局部、分層次完成。每步計算中又包含多次試算,在上一步計算取得合理結(jié)果以后,方可進(jìn)行下一步計算,以便使結(jié)構(gòu)計算過程科學(xué)化,提高結(jié)構(gòu)設(shè)計工作效率。
關(guān)鍵詞:框架結(jié)構(gòu);抗震設(shè)計;可靠度
前 言
抗震設(shè)防是指對建筑物進(jìn)行抗震設(shè)計并采取一定的抗震構(gòu)造措施,以達(dá)到結(jié)構(gòu)抗震的效果和目的??拐鹪O(shè)防的依據(jù)是抗震設(shè)防烈度??拐鹪O(shè)防烈度是一個地區(qū)作為抗震設(shè)防依據(jù)的地震烈度,應(yīng)按國家規(guī)定權(quán)限審批或頒發(fā)的文件執(zhí)行。一般情況下,采用國家地震局頒發(fā)的地震烈度區(qū)劃圖中規(guī)定的基本烈度。建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防的目的是減輕建筑物的地震破壞、避免人員傷亡和減輕經(jīng)濟損失。抗震設(shè)防水準(zhǔn)在很大程度上依賴于經(jīng)濟條件和技術(shù)水平,既要使震前用于抗震設(shè)防的經(jīng)費投入為國家經(jīng)濟條件所允許,又要使震后經(jīng)過抗震技術(shù)設(shè)計的建筑物的破壞程度不超過人們所能接受的限度。
一、框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的思考
1.抗震設(shè)計的發(fā)展歷史
新中國以后,隨著人類對自然災(zāi)害的重視和科學(xué)的發(fā)展,人們認(rèn)識到地震的危害,在修建建筑物的時候開始考慮結(jié)構(gòu)的抗震,國家頒布了許多關(guān)于抗震設(shè)計的規(guī)范。我國正式頒布的建筑抗震設(shè)計規(guī)范有:《工業(yè)與民用建筑抗震設(shè)計煩》TJ11-74(74規(guī)范)、《工業(yè)與民用建筑抗震設(shè)計煩》TJ11-78(78規(guī)范)、《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GBJ11-89(89規(guī)范)、《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2001(2001規(guī)范),《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50223-2008(2008規(guī)范),《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2010(2010規(guī)范)。
2.框架結(jié)構(gòu)的震害
目前,我國地震區(qū)的工業(yè)與民用建筑中,大多采用多層框架、框架-剪力墻及剪力墻結(jié)構(gòu)體系。地震作用具有較強的隨機性和復(fù)雜性,要求在強烈地震作用下結(jié)構(gòu)仍保持在彈性狀態(tài),不發(fā)生破壞是很不實際的;既經(jīng)濟又安全的抗震設(shè)計是允許在強烈地震作用下破壞嚴(yán)重,但不倒塌。因此,依靠彈塑性變形消耗地震的能量是抗震設(shè)計的特點,提高結(jié)構(gòu)的變形、耗能能力和整體抗震能力,防止高于設(shè)防烈度的“大震”不倒是抗震設(shè)計要達(dá)到的目標(biāo)。歷次地震經(jīng)驗表明,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋一般具有較好的抗震性能,結(jié)構(gòu)設(shè)計中經(jīng)過合理的抗震計算并采取妥善的抗震構(gòu)造措施,在一般烈度區(qū)建造多層和高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋是可以保證安全的,但是設(shè)計不良或施工質(zhì)量欠佳的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋在地震中遭遇震害的情況,亦不鮮見。主要震害如下:
2.1共振效應(yīng)引起的震害
框架結(jié)構(gòu)的自振周期與場地土的自振周期很接近,發(fā)生共振,導(dǎo)致框架結(jié)構(gòu)破壞。
2.2結(jié)構(gòu)平面或豎向布置不當(dāng)引起的震害
一些框架廠房因平面形狀和剛度不對稱,在地震作用下容易產(chǎn)生顯著的扭轉(zhuǎn),從而使角柱上下錯位、斷裂。平面不規(guī)則的建筑物在地震中也易產(chǎn)生嚴(yán)重的扭轉(zhuǎn)破壞,其中角柱的破壞十分嚴(yán)重。雞腿式建筑物底層柱發(fā)生剪切破壞或脆性壓彎破壞,導(dǎo)致上部倒塌;豎向剛度分布不合理而導(dǎo)致中間層破壞或倒塌。
2.3框架柱、梁和節(jié)點的震害
未經(jīng)抗震設(shè)計的框架的震害主要反映在梁柱節(jié)點處。柱的震害重于梁;柱頂震害重于柱底;角柱震害重于內(nèi)柱;短柱震害重于一般柱。
2.4框架磚填充墻的震害
框架中嵌砌磚填充墻,容易發(fā)生墻面斜裂縫,并沿柱周邊開裂。端墻、窗間墻和門洞口邊角部位破壞更加嚴(yán)重。烈度較高時墻體容易倒塌。由于框架變形屬剪切型,下部層間位移大,填充墻震害呈現(xiàn)“下重上輕”的現(xiàn)象。填充墻破壞的主要原因是,墻體受剪承載力低,變形能力小,墻體與框架缺乏有效的拉結(jié),因此在往復(fù)變形時墻體易發(fā)生剪切破壞和散落。
3.框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計
較合理的框架地震破壞機制,應(yīng)該是節(jié)點基本不破壞,梁比柱屈服可能早發(fā)生、多發(fā)生,同一層中各柱兩端的屈服歷程越長越好,底層柱底的塑性鉸宜最晚形成。即:框架的抗震設(shè)計應(yīng)使梁、柱端的塑性鉸出現(xiàn)盡可能分散,充分發(fā)揮整個結(jié)構(gòu)的抗震能力。
3.1 抗震計算中的延性保證
從用樓層水平地震剪力與層間位移關(guān)系來描述樓層破壞的全過程可反映出,在抗震設(shè)防的第二、三水準(zhǔn)時,框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件已進(jìn)入彈塑性階段,構(gòu)件在保持一定承載力條件下主要以彈塑性變形來耗散地震能量,所以框架結(jié)構(gòu)需有足夠的變形能力才不致抗震失效。試驗研究表明,“強節(jié)點”、“強柱弱梁、“強底層柱底”和“強剪弱彎”的框架結(jié)構(gòu)有較大的內(nèi)力重分布和能量消耗能力,極限層間位移大,抗震性能較好。
3.2 構(gòu)造措施上的延性保證
根據(jù)大地震實踐證明,當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)在大地震中要求保持足夠的承載能力來吸收進(jìn)入塑性階段而產(chǎn)生的巨大能量,因為此時的結(jié)構(gòu)在震中進(jìn)入到一個塑性階段,容易產(chǎn)生變形。所以,根據(jù)這種特點和抗震的要求,多發(fā)地震的國家鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計均要求按延性框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計,所以建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計必須保證結(jié)構(gòu)局部薄弱區(qū)的承載力與剛度,保證了建筑構(gòu)造的整體性,延性的增加也就提高了變形能力,這樣可以減少地震的破壞性,提高了建筑的抗震能力。
3.2.1 限制軸壓比和合理配筋
限制軸壓比與縱筋最大配筋率合理的受力過程可明顯提高構(gòu)件延性,為實現(xiàn)受拉鋼筋的屈服先與受壓區(qū)混凝土壓碎的破壞形態(tài),以提高塑性鉸區(qū)域的轉(zhuǎn)動能力,規(guī)范限制軸壓比與縱筋最大配筋率,同時對混凝土受壓區(qū)高度也提出相應(yīng)要求。
3.2.2 限制約束配筋和配筋形式
加密塑性鉸區(qū)內(nèi)的箍筋間距是很重要的一點,為保證“強節(jié)點”、“強柱弱梁”、“強底層柱底”和“強剪弱彎”的設(shè)計原則及塑性鉸區(qū)域的局部延性,有必要加密塑性鉸區(qū)內(nèi)的箍筋間距,這不但可提高柱端抗剪能力,還可約束核心區(qū)內(nèi)混凝土,對縱向鋼筋提供側(cè)向支承,防止大變形下縱筋壓曲,從而改善塑性鉸區(qū)域的局部延性。規(guī)范對約束區(qū)縱筋的最小直徑、最大間距、塑性鉸區(qū)域的最小長度等做出了詳細(xì)的規(guī)定,并對箍筋肢距及箍筋形式提出了相應(yīng)要求。
二、結(jié)束語
鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)是我國大量存在的建筑結(jié)構(gòu)形式之一,歷年震害資料表明:鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的柱端與節(jié)點的破壞較為嚴(yán)重,其抗震設(shè)計中必須滿足“強柱弱梁”、“強剪弱彎”、“強節(jié)點”、“強底層柱底”等延性設(shè)計原則和有關(guān)規(guī)定。在多層及高層鋼筋混凝土房屋抗震設(shè)計的實踐中,由于設(shè)計人員對規(guī)范的理解和掌握尺度上,以及因地因人在結(jié)構(gòu)選型、布置以及計算方法上相互差異較多而對設(shè)計產(chǎn)生較多的爭議,抗震設(shè)計方法值得深入研究。
參考文獻(xiàn):
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