基于安全儲備的鋼筋混凝土框架結構抗震設計

金榮娟

基于安全儲備的鋼筋混凝土框架結構抗震設計

金榮娟

通過對鋼筋混凝土框架結構的震害分析,分別從構件層次和結構層次對鋼筋混凝土框架結構的延性抗震設計提出了應對措施,研究成果為鋼筋混凝土結構抗地震倒塌的定量設計及計算分析提供了理論依據。

鋼筋混凝土框架,抗震設計,安全儲備

0 引言

建筑結構的抗地震倒塌能力是結構抗震性能的核心目標,建筑結構需要足夠的抗倒塌安全儲備,以避免大震或超大震的倒塌破壞。我國在唐山地震后就提出了“小震不壞,中震可修,大震不倒”的三水準抗震設防目標,并采用兩階段設計的方法。但目前我國現行抗震規范第二階段抗地震倒塌驗算一般僅針對少數重要建筑結構進行;而對大量一般房屋建筑,則主要依賴結構抗震概念設計和抗震構造措施,缺乏抗地震倒塌的定量計算方法和抗地震倒塌能力的定量評價指標。

在我國現有的多層、高層建筑中,鋼筋混凝土框架結構是最常用的結構形式。因為鋼筋混凝土框架結構平面布置靈活,可形成比較大的建筑使用空間,還具有足夠的剛度、良好的延性。然而設計不合理的框架結構在地震作用下會產生比較嚴重的震害。

本文基于結構遭遇強烈地震時抗倒塌承載能力的安全儲備和變形能力安全儲備研究,通過對鋼筋混凝土框架結構的震害分析,對鋼筋混凝土結構的延性設計提出了應對措施。

1 結構的安全儲備理論

結構是作為一個由各種構件所組成的整體系統來承受各種外界荷載作用的?，F行規范大量篇幅用于對構件設計的定量化規定,而對結構體系的量化設計規定缺少明確要求,結構體系設計多依賴于設計人員的經驗和水平。這一情況導致按現行規范設計的結構,其整體安全性能有較大差異,突出表現在結構在巨大地震作用下的抗倒塌能力的巨大差異。

設計合理的結構,其整體性能應優于局部單元(或構件)性能之和,如我國《抗震規范》貫徹的多道抗震設防理念,其目的就是使結構的總體性能大于局部之和的目標。而地震中大量出現的薄弱層破壞現象,由于局部樓層的破壞導致整體結構喪失功能,那些未破壞樓層構件的安全儲備沒有得到有效利用,則是不合理設計的典型代表。從上述分析可以看出,作為一個系統,結構的安全儲備可分為“構件層次的安全儲備”和“結構體系層次的安全儲備”。

1.1 構件層次安全儲備

構件層次的安全儲備已經為各國工程人員所熟知,其一般性表達式為：γSS≤R/γR(1)

其中,S為作用效應;R為構件抗力;γS,γR分別為作用效應分項系數和構件抗力分項系數,根據我國規范經驗,γS和 γR組成的構件安全儲備大概在 2.6～2.8之間。

1.2 結構體系安全儲備

結構體系是作為一個整體來抵抗各種外界作用的,安全的構件不代表安全的結構。在極端災害荷載下整體結構的抗倒塌能力,則是“結構體系層次安全儲備”的體現,因此可以作為評價結構體系是否合理的指標。

目前世界各國成功的抗震實踐,就是在罕遇地震下承載力儲備難以滿足時,通過變形能力儲備,利用延性來耗散地震輸入的能量,避免了罕遇地震下結構的倒塌破壞。多層框架結構延性設計理論的基本概念如圖 1所示,圖 1中 R為強度折減系數;Ω為超強系數;μ為變形能力系數,其含義介紹如下：

強度折減系數 R：由于罕遇地震作用下的彈性基底剪力 Ve很大,結構如照此設計,經濟代價太高,故需對 Ve/R適當降低(我國規范所采用的小震彈性設計承載力大約是大震彈性地震力的1/5.7),按R折減后的地震作用與其他荷載組合后,根據構件層次安全儲備的要求,就得到構件設計結果。

超強系數 Ω：對于設計合理的實際結構,結構的整體抗震承載力是要高于小震彈性地震力的,這個結構實際抗側能力和小震彈性設計承載力之間的比值就是超強系數 Ω,Ω即為結構的承載力安全儲備。

變形能力系數 μ：當結構遭遇強烈的地震作用時,則需要通過構件的塑性變形去耗散地震能量。結構在強烈地震下的變形能力與屈服位移之比稱為結構的位移延性系數 μ(或變形能力系數),μ即為結構的變形安全儲備。

2 鋼筋混凝土框架結構震害分析

近年來,國內外許多城市都發生了較為強烈的地震,震害的分析對不斷提高鋼筋混凝土框架結構的抗震設計具有十分重要的意義,諸多文獻表明,鋼筋混凝土框架結構的主要破壞有以下特征：

1)框架結構底層抗震能力薄弱,水平地震力作用下,由于底部柱體抗剪承載力不足而產生水平裂紋和斜裂紋,角柱的震害又較內柱大,混凝土局部壓碎,發生剪切破壞,造成整體結構由于底層損傷的累積致使上部結構整體倒塌;

2)框架柱的上下柱端由于彎剪破壞出現水平裂縫和斜裂縫,混凝土局部壓碎,柱端形成塑性鉸;柱身由于剪切破壞多出現交叉斜裂紋;

3)框架梁由于在梁端屈服后產生的剪力較大,超過了梁的受剪承載力,梁內箍筋配置較稀,以及反復荷載作用下混凝土抗剪強度降低等因素所引起的;

4)框架梁柱節點的主要破壞原因是節點的受剪承載力不足,約束箍筋太少,梁端錨固長度不夠以及施工質量差所引起的。

以上研究表明,柱角端的破壞是地震作用下結構最重要的震害形式,對于結構的加固有指導意義。同時底部結構破壞后,上部結構倒塌的過程中,框架梁柱節點因受剪承載力不足而發生了破壞,導致混凝土松散,整個結構垮塌。

3 提高構件層次安全儲備的措施

框架結構包含梁、柱、節點等組成部分。梁、柱以及節點的延性決定了整個框架結構的延性,從而影響到整個框架結構的抗震能力。

3.1 梁構件

梁是框架結構中的主要受力構件之一,在抗震設計中要求塑性鉸首先出現在梁端并且不能發生剪切破壞,同時還要防止由于梁筋屈服而影響節點核心區的性能。試驗表明,影響梁截面延性的主要因素有：1)梁截面尺寸,在地震作用下,梁端塑性鉸區混凝土保護層容易剝落,梁截面寬度過小則截面損失比較大,不利于對框架節點的約束。為了提高節點剪力、避免梁側向失穩破壞以及確定梁塑性變形的能力,框架梁寬必須滿足一定的要求。2)梁配筋,配置一定數量的受壓鋼筋可以減小混凝土受壓區高度,對梁的延性影響比較大。梁端塑性鉸區段的加密箍筋可以約束混凝土,并約束縱向受壓鋼筋,防止它在保護層混凝土剝落后過早壓屈,以保證梁端具有足夠的塑性鉸轉動能力。

3.2 柱構件

在框架柱的設計中應該遵循“強柱弱梁”的設計原則,使塑性鉸出現在梁端。影響框架柱延性的主要因素：

1)柱截面尺寸。為了保證框架柱有足夠的延性,框架柱截面尺寸在兩個主軸方向的剛度不宜相差太大。

2)截面形狀?？蚣苤慕孛嫘螤?會直接影響框架柱截面界限破壞時鋼筋和混凝土內應力應變的分布,影響混凝土受壓邊緣的極限壓應變。

3)混凝土強度等級。提高混凝土強度可以在不加大截面的情況下降低軸壓比,但混凝土強度過高,則極限壓應變會減小,變形能力比較差,對柱子的延性產生不利的影響。

4)配筋。增大縱向鋼筋配筋率對框架柱是有利的,在一定程度上能提高框架柱截面的延性。但是,當縱向配筋量達到一定值時,對框架柱變形能力的提高就不明顯了,如果縱向鋼筋配筋率過大,會使柱子產生剪切破壞或粘結破壞。箍筋能有效改善混凝土的受力性能,提高混凝土受壓區邊緣的極限壓應變,因此,箍筋體積配箍率越高,柱子的延性提高就越大。

5)軸壓比?？拐鹪O計時,除了預計不可能進入屈服的柱外,通常希望柱子處于大偏心受壓的彎曲破壞狀態。從而使框架柱在地震作用下不會發生脆性破壞,保證框架結構“壞而不倒”。

6)剪跨比。它能大體反映出截面上彎曲正應力和剪應力的比例關系,決定了框架柱是發生延性破壞還是脆性破壞,框架柱剪跨比越大,延性越好。

3.3 梁柱節點

節點的失效就意味著與之相連的梁與柱同時失效,所以對節點應該給予足夠的重視。影響節點延性的主要因素：

1)軸壓比。在一定范圍內軸向壓力可以提高框架節點核心區混凝土的抗剪承載力,但當軸壓比超過某一臨界值時,框架節點受壓區混凝土會產生微裂縫,混凝土被壓碎,框架節點核心區抗剪承載力下降,因此要通過控制軸壓比來確保其延性。

2)剪壓比。為了防止框架節點核心區出現脆性斜拉破壞或者斜壓破壞,必須控制剪壓比,避免框架節點核心區混凝土的破壞先于箍筋的屈服,保證節點具有一定的延性。

3)配筋。柱縱向鋼筋與水平箍筋聯合對框架節點核心區混凝土形成雙向約束,能顯著提高框架節點的抗剪承載力。

4)偏心影響。偏心框架節點受到附加扭矩的作用,剪力在節點內的傳遞比較復雜。通過試驗和實際工程震害研究發現,與沒有偏心框架節點相比,偏心框架節點抗剪承載力明顯下降。

4 提高結構層次安全儲備的措施

延性在框架結構的抗震中起著關鍵的作用,在進行框架結構延性抗震設計時,要考慮到鋼筋混凝土材料具有雙重性,合理的設計可以消除或減少混凝土脆性性質的危害,充分發揮鋼筋塑性性能,實現延性結構。根據國內外試驗研究及震害資料,框架結構延性設計時必須遵循以下原則。

4.1 強柱弱梁的設計原則

在地震作用下,要確?？蚣芙Y構中塑性鉸首先出現在梁端,而不是在柱端,使框架結構形成梁鉸機制。利用適筋梁良好的變形性能,來吸收和耗散地震能量。

柱中出現塑性鉸,會引起結構倒塌;塑性鉸出現在梁端,框架結構在破壞之前有比較大的變形,可以耗散比較多的地震能量,具有較好的抗震性能。

柱的延性通常小于梁的延性。因為柱是壓彎構件,較大的軸向壓力將使柱的延性下降,而梁是受彎構件,容易實現高延性比要求。如果沒有采取“強柱弱梁”的措施,柱端不僅可能提前出現塑性鉸,而且有可能塑性轉動過大,形成同層各柱上、下端同時出現塑性鉸的“柱鉸機構”,危及結構承受豎向荷載的能力。在設計框架柱時,采用柱彎矩增大系數來增大柱端彎矩設計值,降低柱屈服的可能性。合理的框架破壞機制應是梁比柱的塑性鉸盡可能早發生和多發生,底層柱出現塑性鉸比較晚,各層柱子的屈服順序應該錯開,不集中在某一層,形成“強柱弱梁”型框架。

4.2 強節點弱構件的設計原則

節點區的受力狀況很復雜,只有確保各節點不出現脆性剪切破壞,才能使梁、柱充分發揮其承載能力和變形能力。在梁、柱塑性鉸按順序出現完成之前,要確保節點核心區不能過早破壞。伸入核心區的梁、柱縱向鋼筋,在核心區內應該有足夠的錨固長度,避免因粘結、錨固破壞而增大層間位移,從而保證結構的整體性。在實際設計中,為了保證框架結構的延性,抗震規范是依據抗震等級對構件本身不同性質的承載力或者構件之間相對的承載力進行內力調整,并依據規定的構造要求來達到延性要求。內力調整系數依據抗震等級不同而異。

4.3 強周邊的原則

鋼筋混凝土框架結構震害研究表明,角柱的震害相當嚴重,主要是地震作用在抗側力構件中傳遞時“邊界效應”引起,因此在結構設計時,除了對頂層框架梁的延性能力加強外,應對邊柱尤其是應力集中明顯的角柱的安全富余度提高,建議在中震強度下,對角柱構件按彈性設計,即在角柱設計時,取中震地震力折減系數為 1.0計算柱設計剪力。

4.4 關鍵構件應超強的原則

結構冗余度對結構的延性能力影響很大,任何一種結構,不同構件的強度儲備存在一定的隨機差異,冗余度多的結構倒塌概率要小于串連系統(如簡單的框架結構(梁柱鉸接)體系,各樓層形成的一個串聯系統,如果局部出現薄弱層破壞,則整體結構失效),美國結構設計規范UBC97的地震作用計算中,采用了一個考慮結構冗余度的系數(Redundancy Factor),如果結構冗余度不足,則要通過提高承載力安全儲備來減少結構的失效概率。冗余度系數 ρ的表達式為：

其中,A為樓層面積,m2;rmax為計算方向的地震層間剪力最大的構件與該方向總地震層剪力之比,取結構下部 2/3高度范圍各層的所有抗側力構件的地震層剪力分擔系數ri(i為樓層編號)中的最大者。

如果結構中存在一個構件承擔的地震層剪力比重過大,即ri很大,或其從屬樓面面積很大,則該結構的冗余度就越小,也即如果該構件一旦破壞失效,可能導致結構倒塌的范圍越大,故此時冗余度系數ρ取值也要越大,相應就提高結構的地震作用,即增加了該結構的承載力儲備。因此,對我國梁柱剛接的鋼筋混凝土框架,對冗余度系數ρ大的結構,適當提高構件的安全儲備能夠提高結構的抗倒塌能力。

5 結語

本文討論了結構的安全儲備,對鋼筋混凝土結構,不管是構件層次安全儲備還是結構體系層次安全儲備,對結構的抗震設計具有重要的意義,基于鋼筋混凝土框架結構的震害分析,對結構的延性設計提出了詳盡的設計思路,為研究地震災害下結構的整體安全儲備提供了一個重要的依據。

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On seism ic design for reinforced concrete frame structure based on safety storage

JIN Rong-juan

The paper analyzes the earthquake diseases on the reinforced concrete frame structure,points out the respectivemeasures for the ductility seismic design for the reinforced concrete frame structure from the components layer and the structural layer,and its research result provides the theoretic reference for the quantitative design for the seismic collapse of the reinforced concrete structure and the calcu lation analysis.

rein forced concrete frame,seismic design,safety storage

TU375.4

A

1009-6825(2011)03-0029-03

2010-10-12

金榮娟(1971-),女,講師,云南建設學校,云南大理 671000