延性鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計淺析

1、<p>　　延性鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計淺析</p><p>　　摘 要：文章分別對混凝土框架結(jié)構(gòu)域剪力墻結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計的要點和重要性進行了簡單的分析探討，并且將豎向和水平構(gòu)件的內(nèi)力計算及延性設(shè)計思路進行了列舉計算，以供參考。關(guān)鍵詞： 框架結(jié)構(gòu)；延性結(jié)構(gòu)； 混凝土 </p><p>　　中圖分類號：TU375文獻標識碼：A </p><p><b>　

2、　前言： </b></p><p>　　延展結(jié)構(gòu)是指如果一個建筑結(jié)構(gòu)在承載力基本保持不變的情形下，仍能有較大塑性變形能力。延性結(jié)構(gòu)在地震作用下進入彈塑性狀態(tài)時，能吸收耗散大量地震能量，此時雖然變形較大但不會出現(xiàn)超出抗震要求的嚴重破壞或倒塌， 故結(jié)構(gòu)都應(yīng)按照延性要求進行抗震設(shè)計。 </p><p>　　具備一定經(jīng)驗的結(jié)構(gòu)設(shè)計師都知道，延性鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)即使在大震下結(jié)構(gòu)構(gòu)件達到屈服

3、，仍然可以通過屈服截面的塑性變形來耗散地震能，避免發(fā)生脆性破壞。下面分別對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計做一簡述。 </p><p>　　1.框架結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計要點 </p><p><b>　　1）強柱弱梁 </b></p><p>　　從抗彎角度講，要求柱端截面的屈服彎矩要大于梁端截面的屈服彎矩，使塑性鉸盡可能首先出現(xiàn)在梁的端部，

4、不會引起結(jié)構(gòu)局部或整體破壞耗能的梁塑性鉸早出多出，結(jié)構(gòu)仍能繼續(xù)承受外荷載而只有當柱根也出現(xiàn)塑性鉸時結(jié)構(gòu)才達到破壞，從而形成強柱弱梁，但不允許在梁的跨中出角。底層柱柱根的塑性鉸應(yīng)較晚出現(xiàn)，各層柱子的屈服順序應(yīng)錯開，不要集中在某一層。 </p><p><b>　　2)強剪弱彎 </b></p><p>　　強剪弱彎的設(shè)計要點實質(zhì)是控制梁柱構(gòu)件的破壞形態(tài)， 使其發(fā)生延性較

5、好的彎曲破壞， 避免脆性的剪切破壞。適筋梁或大偏壓柱具有較好的延性，可耗散地震能量，使內(nèi)力重分布得以充分發(fā)展，而鋼筋混凝土梁柱在受到較大的剪力時，往往呈現(xiàn)脆性破壞。故應(yīng)使構(gòu)件的受剪承載力大于受彎承載力，且保證構(gòu)件在塑性鉸出現(xiàn)之后也不過早剪切破壞。下面根據(jù)國家抗震規(guī)范中與此相關(guān)的具體設(shè)計指標逐一闡述。 </p><p>　　①梁柱的剪跨比 λ 限制λ=M/(Vh0)，M 為計算截面上與剪力設(shè)計值對應(yīng)的彎矩設(shè)計值；h

6、0 為截面計算高度剪跨比 λ 反映了構(gòu)件截面承受的彎矩與剪力的相對大小，是影響梁柱變形能力的主要因素之一。對于柱，λ≥2 的屬于長柱，只要設(shè)計構(gòu)造合理，通常會發(fā)生延性的彎曲破壞；1.5≤λ<2 的屬于短柱，通常會發(fā)生延性不好的剪切破壞。當其混凝土等級較高或箍筋配置足夠強時，也可發(fā)生有一定延性的剪壓破壞；λ<1.5 的屬于極短柱， 基本沒有延性，設(shè)計應(yīng)避免出現(xiàn)。因在一般框架結(jié)構(gòu)中，柱彎矩以水平地震作用產(chǎn)生的彎矩為主，可以近似認

7、為反彎點在柱高的中點， 故柱端彎矩 M=VHn/2即有 λ=Hn/2h0，因此在抗震設(shè)計時應(yīng)保證柱凈高與截面長邊尺寸之比大于 4；否則應(yīng)在柱全高范圍內(nèi)加密其箍筋。同樣在設(shè)計框架梁時，應(yīng)保證其凈跨 Ln 與截面高度 hb 之比≥4。 </p><p>　?、诹褐募魤罕认拗圃O(shè)計中應(yīng)使梁柱的剪壓比即， V/(fcbh0)不超過規(guī)范允許的限值， 它實質(zhì)上是對構(gòu)件最小截面尺寸的規(guī)定。規(guī)范對不同情況下的剪壓比規(guī)定了最大值。

8、梁柱滿足剪壓比要求，可以有效地防止斜裂縫的較早出現(xiàn)， 減輕混凝土破壞程度， 這是因為如構(gòu)件截面尺寸過小或混凝土強度過低，按抗剪承載力公式算出的箍筋面積會很大， 則箍筋還未充分發(fā)揮作用之前，構(gòu)件就會過早地出現(xiàn)脆性斜壓破壞。 </p><p>　?、劭蚣苤淖畲筝S壓比 μN 和最小體積配箍率 ρV軸壓比 μN=N/(fCA),其中N 為包含地震作用組合的柱軸壓力設(shè)計值；fC 為混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值；A 為柱的全截

9、面面積。 </p><p>　　試驗究表明，軸壓比大小與柱的破壞形態(tài)和變形能力密切相關(guān)。軸壓比過大時，柱會出現(xiàn)受拉鋼筋并不屈服的小偏心受壓破壞；而軸壓比適中時，柱可出現(xiàn)受拉鋼筋首先屈服的大偏心受壓破壞，受拉鋼筋可以較好地耗散地震能量。且軸壓比是影響柱的延性的重要因素之一，柱的變形能力隨軸壓比增大而急劇降低，尤其在高軸壓比下， 增加箍筋對改善柱的變形能力作用并不明顯。因此在設(shè)計中應(yīng)按規(guī)范的最大軸壓比限值要求， 嚴格

10、限制不可過大，以使框架柱在地震作用下仍能實現(xiàn)大偏心受壓下的彎曲破壞，使柱具有足夠的延性變形能力。 </p><p>　　體積配箍率 ρV箍筋對核心混凝土具有約束作用，對柱的延性非常有利， 這已被震害實例和結(jié)構(gòu)試驗所證明。一般用體積配箍率 ρV 來衡量箍筋對核心混凝土所具有約束程度： </p><p>　　ρV=AvLv/bhs,其中Av 為箍筋的截面積， Lv 為箍筋的總長度， 則 AvL

11、v 為箍筋的總體積，bh 為構(gòu)件核心混凝土的截面積， s 為箍筋的間距，則 bhs 為在箍筋分布間距內(nèi)的構(gòu)件核心混凝土總體積。 </p><p>　　規(guī)范對框架柱的體積配箍率 ρV 最小值，根據(jù)不同的軸壓比規(guī)定了不同的數(shù)值，在設(shè)計箍筋時應(yīng)嚴格遵守。同時箍筋對核心混凝土具有的約束作用，不僅與箍筋的配置量有關(guān)， 還與箍筋的配置形式密切相關(guān)。單個矩形箍筋對核心混凝土的約束作用較弱，螺旋箍筋的約束作用最好，復式箍筋對鋼筋

12、混凝土具有的約束作用大大好于單個矩形箍筋。故在設(shè)計時，應(yīng)采用復式箍筋，最好為螺旋箍。隨柱軸壓比的升高，通過箍筋約束混凝土提高延性的效果會逐漸減弱，故只有在中等軸壓比的情況下，才可通過提高箍筋用量的辦法改善柱子延性。但在高層建筑的設(shè)計中， 底層柱子要承擔很大的軸向壓力， 很難把其軸壓比控制在較低水平。大量的試驗究表明，在柱中設(shè)置矩形核心柱（規(guī)范對于核心柱的截面尺寸和箍筋配置量均有相關(guān)規(guī)定），不僅可以提高柱子的受壓承載力，也可提高柱子的延性

13、變形能力，尤其對于軸壓比很大的短柱。 </p><p>　?、芰褐鶓?yīng)設(shè)置箍筋加密區(qū)大量震害表明，框架梁端部和柱端部破壞嚴重，是框架梁柱的薄弱部位，故按照強剪弱彎原則箍筋應(yīng)加密布置在梁柱端部的塑性鉸區(qū)，規(guī)范稱其為箍筋加密區(qū)。規(guī)范對加密區(qū)長度和箍筋間距,直徑,體積或面積配箍率有具體規(guī)定。在梁柱端部的箍筋加密區(qū)配置足夠的箍筋，可以約束核心混凝土，提高塑性鉸區(qū)混凝土的極限應(yīng)變值，提高抗壓強度，防止斜裂縫的開展，這樣塑性鉸

14、能充分變形和耗能，提高延性。梁柱的最大和最小縱筋配筋率試驗表明：鋼筋混凝土單筋梁的變形能力，隨截面混凝土受壓區(qū)相對高度 x/h0 的增大而減小，而 x/h0 著配筋率的增大，鋼筋屈服強度的提高和混凝土強度等級的降低而增大，梁的延性性能就會降低。故國家《抗震規(guī)范》對框架梁的相對受壓區(qū)高度x/h0 和最大配筋率 ρmax 作出了具體規(guī)定；同時框架梁也應(yīng)滿足最小配筋率要求。 </p><p>　　國家《抗震規(guī)范》 對不

15、同等級的框架柱最小配筋率 ρmin 也作出了具體規(guī)定,設(shè)計時應(yīng)嚴格滿足要求。這是為了避免地震作用下框架柱過早進入屈服階段，增大屈服時柱的變形能力，提高柱的延性和耗能能力。 </p><p>　　3)強節(jié)點及強錨固 </p><p>　　因為梁柱節(jié)點區(qū)的受力情況非常復雜，故在設(shè)計時必須保證各節(jié)點不出現(xiàn)脆性剪切破壞，才可使梁柱承載力和變形能力得以發(fā)揮，即在梁柱塑性鉸出現(xiàn)完成之前，節(jié)點區(qū)必須不能

16、過早破壞。同時還要具有良好的延性，則其鋼筋的錨固須足夠強，不可失效，設(shè)計中應(yīng)按規(guī)范的構(gòu)造要求執(zhí)行。 </p><p>　　2.剪力墻結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計要點 </p><p>　　剪力墻結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計要點與框架類似又不同，因為剪力墻的抗側(cè)和抗扭剛度大，承載能力大，小震下變形小，但也應(yīng)使其具有良好的延性和耗能能力?，F(xiàn)簡述如下： </p><p>　　1）強墻肢，弱連梁 &l

17、t;/p><p>　　除小開口墻和弱連梁連接的獨立墻肢外，剪力墻大多為聯(lián)肢墻;聯(lián)肢墻的延性設(shè)計可通過 “強墻肢弱連梁” 來實現(xiàn)，使連梁先于墻肢屈服（可能是剪切或彎曲破壞），使變形和耗能分散于連梁中，墻肢之后屈服，并通過構(gòu)造措施使墻肢具有良好延性和耗能能力。抗震規(guī)范通過彈性計算時把連梁剛度折減，從而減小連梁的內(nèi)力來實現(xiàn)“強墻弱梁” 。 </p><p><b>　　2) 強剪弱彎 &l

18、t;/b></p><p>　　抗震規(guī)范采用剪力增大系數(shù)來調(diào)整墻肢底部加強部位截面的剪力設(shè)計值和連梁端截面的組合剪力設(shè)計值，來實現(xiàn)墻肢和連梁的強剪弱彎。 </p><p>　　3）墻肢和連梁的剪壓比限制 </p><p>　　為避免墻肢或連梁發(fā)生脆性的斜壓破壞，抗震規(guī)范對二者截面的平均剪應(yīng)力和混凝土抗壓強度的比值加以限制，即設(shè)計時應(yīng)限制墻肢和連梁的剪壓比。 &

19、lt;/p><p>　　4）墻肢的軸壓比限制 </p><p>　　墻肢的軸壓比是影響其延性的主要因素之一，為使墻肢具有一定的延性，應(yīng)限制墻肢截面的相對受壓區(qū)高度，該點可轉(zhuǎn)換為限制墻肢的軸壓比，故規(guī)范對不同抗震等級的墻肢的軸壓比最大值做了詳細規(guī)定。 </p><p><b>　　參考文獻： </b></p><p>　　建筑