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

 

    我們在地震區(qū)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，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。我們在設(shè)計(jì)計(jì)算中很重視上述兩項(xiàng)，但對結(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，對截面延性的要求高于對構(gòu)件延性的要求，對構(gòu)件延性的要求高于對結(jié)構(gòu)延性的要求。我國規(guī)范沒有對結(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)。“小震不壞、中震可修、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)變形會加大，但內(nèi)力不會很大，對構(gòu)件的承載能力要求不會很高。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，我們在實(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)，截面混凝土相對壓區(qū)高度等。我們設(shè)計(jì)時，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，配置受壓鋼筋，以增大其延性。對梁端，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)動能力，同時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，勢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，在做法上就有多種方式。一種是設(shè)計(jì)成開縫連梁，即對于跨高比小的連梁，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[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  文徑網(wǎng)絡(luò)：文徑 尹維維 編輯  劉真 審核)