閱讀 6818 次 混凝土結(jié)構(gòu)延性設(shè)計(jì)
摘要:針對(duì)延性和耗能能力對(duì)結(jié)構(gòu)有非常重要的作用,但在設(shè)計(jì)中卻遠(yuǎn)沒有達(dá)到對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力和剛度重視的問題,逐步分析了延性設(shè)計(jì)的概念,提出對(duì)框架及剪力墻的基本廷性設(shè)計(jì)思路,介紹了在設(shè)計(jì)中常用的一些保證結(jié)構(gòu)或構(gòu)件延性和耗能能力的方法,以引導(dǎo)大家在設(shè)計(jì)中使用。...
混凝土結(jié)構(gòu)延性設(shè)計(jì)
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
引言
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。
1、結(jié)構(gòu)延性的概念
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。
2、延性框架梁
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。
3、延性框架柱
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。
4、延性剪力墻
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。
5、結(jié)語
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。
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(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)
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2024-3-20