王海江      農(nóng)十三師勘察設(shè)計(jì)院

唐曉青     西安建筑科技大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院

 

    我們?cè)诘卣饏^(qū)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，為達(dá)到“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震設(shè)防要求，通過計(jì)算，往往使結(jié)構(gòu)要具備足夠大的承載能力，足夠大的剛度以及應(yīng)具備足夠大的延性和耗能能力。

 

    承載能力是最重要的，它是結(jié)構(gòu)可靠度的保證。同樣，結(jié)構(gòu)必須具有足夠大的側(cè)移剛度和扭轉(zhuǎn)剛度。在同一地震作用下，剛度小的結(jié)構(gòu)破壞程度大，變形小的結(jié)構(gòu)破壞程度小。結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的剛度與承載能力是相關(guān)的，一般來說，剛度大承載能力也大，剛度小承載能力也小。我們?cè)谠O(shè)計(jì)計(jì)算中很重視上述兩項(xiàng)，但對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)具備足夠大的延性和耗能能力并沒有引起重視。經(jīng)濟(jì)、合理的按能力設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)的抗震結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)是：在大震作用下，部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞，通過延性耗散地震能量，避免結(jié)構(gòu)倒塌。

 

    延性包括材料、截面、構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的延性。延性是指屈服后，強(qiáng)度和承載能力沒有顯著降低時(shí)的塑性變形能力。延性大，說明塑性變形能力大，強(qiáng)度或承載力的降低緩慢，從而有足夠大的能力吸收和耗散地震能量，避免結(jié)構(gòu)倒塌；延性小，說明達(dá)到最大承載能力后承載力迅速降低，變形能力小，呈現(xiàn)脆性破壞，引起結(jié)構(gòu)倒塌。

 

    結(jié)構(gòu)延性可以來自材料延性、截面曲率延性、構(gòu)件位移延性和結(jié)構(gòu)位移延性。一般來說，對(duì)截面延性的要求高于對(duì)構(gòu)件延性的要求，對(duì)構(gòu)件延性的要求高于對(duì)結(jié)構(gòu)延性的要求。我國規(guī)范沒有對(duì)結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的延性系數(shù)和耗能能力做定量的規(guī)定，只規(guī)定了罕遇地震作用下各結(jié)構(gòu)體系的彈塑性層問位移角限值。例如，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的屈服層間位移角為1／200左右，規(guī)范規(guī)定其彈塑性層間位移角限值為1／50。

 

    鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)都應(yīng)該設(shè)計(jì)成延性結(jié)構(gòu)�！靶≌鸩粔摹⒅姓鹂尚�、大震不倒”的抗震設(shè)計(jì)原則，也就是要做到在設(shè)防烈度地震作用下，允許部分構(gòu)件出現(xiàn)塑性鉸，這種狀態(tài)是“中震可修”狀態(tài)；合理控制塑性鉸部位、構(gòu)件又具備足夠的延性，可做到在大震作用下結(jié)構(gòu)不倒塌的狀態(tài)。

 

    延性結(jié)構(gòu)的塑性變形可以耗散地震能量，雖然結(jié)構(gòu)變形會(huì)加大，但內(nèi)力不會(huì)很大，對(duì)構(gòu)件的承載能力要求不會(huì)很高。也就是說，延性結(jié)構(gòu)是用它的變形能力，而不是承載力抵抗強(qiáng)烈的地震作用。因此，對(duì)于地震發(fā)生概率極少的抗震結(jié)構(gòu)，延性結(jié)構(gòu)是一種經(jīng)濟(jì)合理和安全的設(shè)計(jì)方向。

 

    設(shè)計(jì)規(guī)范上對(duì)延性結(jié)構(gòu)的要求融人了各章節(jié)，并通過計(jì)算和構(gòu)造給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了多道防線。這方面的闡述已較明朗，實(shí)際工作中也得到充分采納。然而，我們?cè)趯?shí)際設(shè)計(jì)工作中，建筑體形、結(jié)構(gòu)布置確定后，要反映延性框架和延性剪力墻的抗震概念，可以通過哪些實(shí)用有效又經(jīng)濟(jì)的方式，這里具體介紹一下。

 

    梁是鋼筋混凝土框架的主要延性耗能構(gòu)件。影響梁的延性和耗能的主要因素有：破壞形態(tài)，截面混凝土相對(duì)壓區(qū)高度等。我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)，首先要實(shí)現(xiàn)彎曲破壞，避免剪切破壞，限制最大剪力設(shè)計(jì)值。剪壓比限值也是確定梁最小截面尺寸的條件之一。

    在滿足截面高度工在滿足截面要求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)限制受拉鋼筋，不出現(xiàn)可能引起脆性破壞的少筋梁和超筋梁；同時(shí)，配置受壓鋼筋，以增大其延性。對(duì)梁端，在地震往復(fù)作用下，不僅有豎向裂縫，還有斜裂縫。為使塑性鉸區(qū)具有良好的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力，同時(shí)為了防止混凝土壓潰前受壓鋼筋過早壓屈，在梁的兩端必須設(shè)置箍筋加密區(qū)。另外設(shè)計(jì)中可以采取措施使塑性鉸外移，將塑性鉸從柱面移開一定距離，避免梁端鋼筋屈服后向核心區(qū)發(fā)展，引起粘結(jié)破壞。具體措施可采用如圖l所示增加梁端的縱向鋼筋，或如圖2所示增加梁端高度，提高梁端受彎承載力。一般將屈服的位置移至圖1，圖2中的控制截面，控制截面與柱面之間的距離不小于500 mm和梁高，塑性鉸的起始截面距控制截面250 mm或1／2梁高，塑性鉸長度為2倍梁高，該范圍內(nèi)箍筋加密。

 

    柱是框架的豎向結(jié)構(gòu)，地震時(shí)柱破壞和喪失承載力比梁破壞和喪失承載力更容易引起框架倒塌。影響柱的延性和耗能的主要因素有：剪跨比，軸壓比，縱筋配筋率和塑性鉸區(qū)箍筋的配置。現(xiàn)行規(guī)范對(duì)這幾方面已作了詳細(xì)的要求，這里不再贅述。我們只需遵循以下基本設(shè)計(jì)概念，即采用大剪跨比柱，避免小剪跨比柱，限制軸壓比，提高縱筋配筋率，保證約束塑性鉸區(qū)混凝土的箍筋等。

    其中，當(dāng)由于為保證限制軸壓比而采用了較大截面柱時(shí)，勢(shì)必造成較小的柱剪跨比，這是不利的。我們常采用如圖3所示的分體柱措施來避免形成短柱或極短柱。分體柱是用隔板將柱分為等截面的單元柱，一般為4個(gè)單元柱，截面的內(nèi)力設(shè)計(jì)值由各單元柱均擔(dān)，按現(xiàn)行規(guī)范對(duì)單元柱承載力驗(yàn)算，在柱的上下端留有整截面過渡區(qū)，過渡區(qū)內(nèi)配置復(fù)合箍。分體柱各單元的剪跨比是整體柱的兩倍，可以避免短柱。當(dāng)然，也可利用高強(qiáng)混凝土與鋼組合成為延性組合柱，如鋼管混凝土柱，鋼管混凝土疊合柱及鋼骨混凝土柱。這些，在建筑材料發(fā)展的今天，也是經(jīng)常采用的。

 

    剪力墻由墻肢和連梁兩種構(gòu)件組成，從截面的形狀到構(gòu)件的受力性能，墻肢與柱、連梁與框架梁有很大的差別。

 

    剪力墻的受力性能比框架復(fù)雜，抗震設(shè)計(jì)在一些方面與框架有較大的區(qū)別。強(qiáng)墻肢弱連梁，強(qiáng)剪弱彎及限制剪壓比，限制墻肢軸壓比這些與框架概念是等同的。但剪力墻延性設(shè)計(jì)又有其自身的特點(diǎn)。首先，不同于框架柱是偏壓構(gòu)件，墻肢本身又是受彎構(gòu)件，控制墻肢不出現(xiàn)脆性的剪切破壞就是首要的。設(shè)計(jì)時(shí)一般通過控制剪跨比來解決。杜絕出現(xiàn)剪跨比小于1的矮墻，實(shí)現(xiàn)延性的彎曲破壞，增強(qiáng)耗能能力。

 

    另外，通過設(shè)置底部加強(qiáng)區(qū)，設(shè)置約束邊緣構(gòu)件，可以增大截面的塑性變形能力。約束邊緣構(gòu)件的構(gòu)造要求，主要包括沿墻肢截面的長度和墻肢的高度，箍筋數(shù)量，水平分布筋在約束邊緣構(gòu)件內(nèi)的錨固以及確保一定的縱筋面積來保證。這在現(xiàn)行規(guī)范中都有明確要求。

 

    延性連梁的設(shè)計(jì)，我們計(jì)算時(shí)一般通過降低連梁的剛度和彎矩設(shè)計(jì)值來實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，在做法上就有多種方式。一種是設(shè)計(jì)成開縫連梁，即對(duì)于跨高比小的連梁，在連梁腹板上沿跨度方向預(yù)留一條或兩條縫或槽，將連梁沿梁高方向分成幾根跨高比較大的梁，在大震作用下發(fā)生較好的彎曲破壞。另外，在連梁內(nèi)交叉配筋來抵抗地震作用下不斷改變方向的剪力，是比較常用的方法。交叉配筋連梁的延性和耗能能力明顯優(yōu)于普通水平配筋連梁，只是制作費(fèi)工，鋼筋密集，難以施工。此外，采用鋼板混凝土連梁，發(fā)揮鋼板良好的塑性變形能力，同時(shí)減少了箍筋用量，給施工帶來便利。

 

    延性框架和延性剪力墻的抗震主要包括三方面：

    1)通過調(diào)整構(gòu)件之間承載力的相對(duì)大小，實(shí)現(xiàn)合理的屈服機(jī)制，即“強(qiáng)柱弱梁”“強(qiáng)墻肢弱連梁”“強(qiáng)核芯區(qū)弱構(gòu)件”；

    2)通過調(diào)整構(gòu)件斜截面承載力和正截面承載力之間的相對(duì)大小，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件延性破壞形態(tài)，即“強(qiáng)剪弱彎”；

    3)通過采取抗震構(gòu)造措施，使構(gòu)件自身具有大的延性和耗能能力。

 

[1] GB 50010—2002，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[2] GB 50011—2008，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[3] 中國有色工程設(shè)計(jì)研究總院，混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)造手冊(cè)[S]．

[4] 張志強(qiáng)．延性與抗震設(shè)計(jì)[J]．山西建筑，2008，34(12)：93—94．

[5] 方鄂華．高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004：8．

 

(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：文徑 尹維維 編輯  劉真 審核)