解讀我國鋼筋混凝土抗震設(shè)計新

1、解讀我國鋼筋混凝土抗震設(shè)計3 以框架結(jié)構(gòu)為例談抗震概念設(shè)計范（2）由于建筑抗震設(shè)計的復(fù)雜性，在實際工程中抗震概念設(shè)計就顯得尤為重要。它主要包括以下內(nèi)容：建筑設(shè)計應(yīng)注意結(jié)構(gòu)的規(guī)則性；選擇合理的建筑結(jié)構(gòu)體系；抗側(cè)力結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的延性設(shè)計。本文以框架為例重點介紹抗震概念設(shè)計中的能力設(shè)計法（capacity design）。能力設(shè)計法是結(jié)構(gòu)延性設(shè)計的主要內(nèi)容，包括我國規(guī)范的內(nèi)力調(diào)整和構(gòu)造兩個方面。它是二十世紀 70年代后期，新西蘭知名學(xué)者 T.Paulay 和 Park鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在設(shè)計力取值偏低的情況下具有足為：通過“強柱弱梁”引導(dǎo)結(jié)構(gòu)形成“梁鉸機構(gòu)”或者“鉸機構(gòu)”；通過“強剪弱夠延性的方法。其彎”

2、避免結(jié)構(gòu)在達到預(yù)計延性能力前發(fā)生剪切破壞；通過必要構(gòu)造措施使可能形成塑性鉸的部位具有必要的塑性轉(zhuǎn)動能力和耗能能力。從以上三個方面保證使結(jié)構(gòu)具有必要的延性。框架結(jié)構(gòu)作為常見的框架結(jié)構(gòu)作為常見的結(jié)構(gòu)形式，當然其延性設(shè)計也主要是從這三個方面來體現(xiàn)的。3.1 強柱弱梁結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)分析表明，結(jié)構(gòu)的變形能力和破壞機制有關(guān)。常見有三種典型的耗能機構(gòu)，“梁鉸機構(gòu)”、“柱鉸機構(gòu)”、“鉸機構(gòu)”?！傲恒q機構(gòu)” 和“鉸機構(gòu)”的屈服，可使整個框架有較大的內(nèi)力重分布和能量消耗能力，極限層間位移大，塑性鉸數(shù)量多，不因個別塑性鉸失效而結(jié)構(gòu)整體失效。因而抗震性能好，是鋼筋混凝土理想的耗能機構(gòu)。我國規(guī)范采用的是允許柱子、剪力墻出

3、鉸的 鉸方案，采取相對的“強柱弱梁”措施，推遲柱子的出鉸時間。但不能完全排除出現(xiàn)薄弱層的柱鉸機構(gòu)的可能性，因而需要限制柱子的軸壓比，必要時通過時程分析法判斷結(jié)構(gòu)的薄弱層，防止出現(xiàn)柱鉸機構(gòu)。常見的“強柱弱梁”的調(diào)整措施就是要人為增大柱子的抗彎能力，誘導(dǎo)在先出現(xiàn)塑性鉸。這是考慮到柱中實際彎矩在中的可能增大。在結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塑性鉸之前，結(jié)構(gòu)構(gòu)件因拉區(qū)混凝土開裂和壓區(qū)混凝土的非彈性性質(zhì)，鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)，使得各構(gòu)件剛度降低。梁剛度降低較受壓的柱子相對嚴重，結(jié)構(gòu)由最初的剪切型變形向剪彎形變形過渡，柱內(nèi)的彎矩較的彎矩比例增大；同時結(jié)構(gòu)的周期加長，影響到結(jié)構(gòu)各振型的參與系數(shù)的大?。涣ο禂?shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致部分柱

4、子彎矩增大，由于構(gòu)造原因及設(shè)計中鋼筋的人為增大，使得梁的實際屈服強度提高，從而使得梁出現(xiàn)塑性鉸時柱內(nèi)彎矩增大。結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塑性鉸之后，同樣有上述原因的存在，而且結(jié)構(gòu)屈服后的非彈性過程就是力進一步增大的過程，柱彎矩隨力的增大而增力引起的傾覆力矩改變了柱內(nèi)的實際軸力。規(guī)范中的軸壓比限值一般能保證柱子在大偏壓的范圍內(nèi)，軸力的減小也能導(dǎo)致柱子屈服能力的降低?？拐鹨?guī)范規(guī)定：除框架頂層和柱軸壓比小于 0.15 者及框與框支柱以外，柱端彎矩設(shè)計值應(yīng)符合 分別為一級取 1.4，二級取 1.2，三級取 1.1。9 度及一級框架結(jié)構(gòu)符合，根據(jù)實配鋼筋面積及材料強度標準值確定。底層柱軸力大，塑性轉(zhuǎn)的能力差，為避免柱腳出

5、鉸后壓潰，一、二、三級框架結(jié)構(gòu)底層，柱端截面組合彎矩設(shè)計值分別乘以增大系數(shù) 1.5，1.25 和 1.15。角柱的調(diào)整后的組合彎矩乘以不小于 1.10的系數(shù)。對一級抗震等級的剪力墻肢截面組合彎矩設(shè)計值進行調(diào)整，迫使塑性鉸出現(xiàn)在墻肢底部加強部位，底部加強部位及以上一層彎矩設(shè)計值取墻肢底部截面組合彎矩設(shè)計值，其它部位乘以 1.2 的增大系數(shù)。對部分框支抗震墻結(jié)構(gòu)，一、二級框支柱的柱上端和底層柱下端，其組合彎矩設(shè)計值應(yīng)分別乘以增大系數(shù) 1.5和 1.25。以上“強柱弱梁”的調(diào)整措施，經(jīng)過非線性動力反應(yīng)分析表明，基本滿足不倒地要求。在 7 度區(qū)，梁的鋼筋由重力荷載控制，柱的鋼筋基本由最小配筋率控制。全

6、面增大了柱梁相對抗彎能力。同時，7 度區(qū)很難出現(xiàn)正彎矩塑性鉸，對抵抗起到有利作用。在 9 度區(qū)，采用實配鋼筋面積和材料強度標準值計內(nèi)彎矩，構(gòu)造上梁鋼筋的增大同樣導(dǎo)致柱內(nèi)彎矩設(shè)計值的增大，在多波輸入下，塑性鉸轉(zhuǎn)動大，發(fā)展較充分，柱端塑性鉸發(fā)展不充分，轉(zhuǎn)動較小。塑性變形集中與，轉(zhuǎn)動大，滿足抗震能力設(shè)計要求。對塑性鉸出現(xiàn)充分但轉(zhuǎn)動小，8 度區(qū)，其位移反應(yīng)同 9 度差不多，但柱端塑性鉸較 9因而“強柱弱梁”效果不明顯，有關(guān)的完善。建議 8 度二級抗震等級時，彎矩增大系數(shù)宜取 1.35，這有待進一步3.2 強剪弱彎“強剪弱彎”是為了保證塑性鉸截面在達到預(yù)期非彈性變形之前不發(fā)生剪切破壞。就常見的結(jié)構(gòu)而言，

7、主要表現(xiàn)在、柱端、剪力墻底部加強區(qū)、剪力墻洞口連部、節(jié)點區(qū)。與非抗震相比，增強措施主要表現(xiàn)在提高作用剪力；調(diào)整抗剪承載力兩個方面。3.2.1 作用剪力一、二、三級框架梁和抗震墻中跨高比大于 2.5 的連梁，剪力設(shè)計值其中，一級取 1.3，二級取 1.2，三級取 1.1，一級框架結(jié)構(gòu)及 9 度符合。一、二、三級框架柱和框支柱，剪力設(shè)計值其中，一級取 1.4，二級取 1.2，三級取 1.1，一級框架結(jié)構(gòu)及 9 度符合。一、二、三級抗震墻底部加強部位，剪力設(shè)計值其中，一級取 1.6，二級取 1.4，三級取 1.2， 9 度符合。節(jié)點，一、二級抗震等級進行節(jié)點區(qū)抗震受剪承載力驗算，三四級應(yīng)符合抗震構(gòu)造

8、措施，對 9 度設(shè)防及一級抗震等級的框架結(jié)構(gòu)，考慮到已出現(xiàn)塑性鉸，節(jié)點的剪力完全由實際屈服彎矩決定，按實配鋼筋面積和材料強度標準值計算，同時乘以 1.15 的增大系數(shù)。其它一級按彎矩設(shè)計值計算，剪力增大系數(shù)為 1.35，二級為 1.2。3.2.2 抗剪公式國內(nèi)外低周反復(fù)荷載作用下鋼筋混凝土連續(xù)梁及懸臂剪承載力實驗表明，混凝土剪壓區(qū)剪切強度的降低、斜裂縫間骨料咬合力及縱筋暗銷力的降低是剪承載力降低的主要原因。規(guī)范對混凝土的受剪承載力降為非抗震的 60，鋼筋項沒有降低。同樣，對偏壓柱受剪承載力實驗表明，反復(fù)加載使柱受剪承載力降低 1030%，主要由混凝土項引起，采取與梁相同的作法。對剪力墻的實驗表

9、明，其反復(fù)加載比單調(diào)加載受剪承載力降低 1520%，采用非抗震受剪承載力乘以 0.8 的折減系數(shù)。節(jié)點的抗震受剪承載力由混凝土斜壓桿和水平箍筋兩部分受剪承載力組成，有關(guān)給出了相關(guān)公式。為了防止、連梁、剪力墻、節(jié)點發(fā)生斜壓破壞，對受剪截面規(guī)定了受剪承載力上限，即規(guī)定了配箍率的上限值。通過非彈性動力反應(yīng)分析表明，以上措施基本滿足強剪弱彎的要求。由于二級抗震等級在下塑性轉(zhuǎn)動仍很大，有關(guān)建議剪力增大系數(shù)不宜比一級相差過大，對1.25 較好，對柱宜取 1.31.35。其取值的合理性有待于進一步完善。需明的是，節(jié)點受力非常復(fù)雜，要保證鋼筋在節(jié)點中的可靠錨固，同時在端發(fā)生抗彎破壞前，節(jié)點不發(fā)生剪切破壞，其實

10、質(zhì)應(yīng)屬于“強剪弱彎”的范疇。而且，節(jié)點僅對一、二級抗震等級的剪力進行調(diào)整，其增大系數(shù)3.3 構(gòu)造措施的要小，構(gòu)造措施也端弱些。因而，“更強節(jié)點”的說法，不值得提倡。構(gòu)造措施是、剪力墻塑性鉸區(qū)要達到實際需要的塑性轉(zhuǎn)動能力和耗能能力的保證。它與“強剪弱彎”、“強柱弱梁”相互關(guān)聯(lián)，一起保證結(jié)構(gòu)的延性?！皬娂羧鯊潯笔潜ＷC塑性鉸轉(zhuǎn)動能力和耗能能力的前提； “強柱弱梁”的嚴格程度，影響相應(yīng)的構(gòu)造措施，若實行嚴格的“強柱弱梁”，保證柱子除底部外不出現(xiàn)塑性鉸，相應(yīng)的軸壓比等構(gòu)造措施就要松些。我國采取相對的“強柱弱梁”，延緩柱子出鉸的時間，所以需要采取較嚴的構(gòu)造措施。3.3.1 梁的構(gòu)造措施梁塑性鉸截面的延性與

11、很多有關(guān)，截面延性隨受拉鋼筋配筋率及屈服強度的提高而降低；隨受壓鋼筋配筋率和混凝土強度提高而提高，隨截面寬度增大而增大；塑性鉸區(qū)的箍筋可以防止縱筋的壓屈、提高混凝土極限壓應(yīng)變、斜裂縫的開展、抵抗剪力，充分發(fā)揮塑性鉸的變形和耗能能力；跨比越小，剪切變形比例越大，易發(fā)生斜裂縫破壞，使延性降低。筋配箍率過低，梁開裂后鋼筋可能屈服甚至拉斷。因而，規(guī)范對于筋最大配筋率和最小配筋率、箍筋加密區(qū)長度、最大間距、最小直徑、最大肢距、體積配箍率都有嚴格規(guī)定。為了抵抗制。同時，還對梁的最小寬度、跨高比、可能的正彎矩，保證截面延性，對做了規(guī)定。拉壓鋼筋面積比作出了限3.3.2 柱的構(gòu)造措施柱為壓彎型受力構(gòu)件，軸壓比

12、對延性及耗能性影響較大。軸壓比小時，柱子發(fā)生大偏壓破壞，構(gòu)件變形大，延性好，但耗能性降低；隨軸壓比的增大，耗能性增大，但是延劇下降，而且箍筋對延性的幫助減小。對于采用低力設(shè)計的柱子，主要保證其延性，而耗能性放到第二位。規(guī)范對軸壓比作出了限制，一般能保證在大偏壓的范圍內(nèi)。箍筋同樣也對延性起到很大的作用，約束縱筋、提高混凝土壓應(yīng)變、斜裂縫發(fā)展。柱一般為對稱配筋，其縱筋配筋率越大，柱子屈服時變形越大，延性越好。因而對柱子的縱筋最小配筋率、箍筋加密區(qū)長度、最大間距、最小直徑、最大肢距、體積配箍率做出了嚴格規(guī)定。同時對柱子的、剪跨比、截面最小高度、寬度做出了規(guī)定，以提高抗震性能。3.3.3 節(jié)點構(gòu)造措施

13、節(jié)點作為壓比偏低時為節(jié)點鋼筋的錨固區(qū)，對結(jié)構(gòu)性能影響很大。為保證在和豎向荷載作用下，節(jié)點區(qū)剪區(qū)提供必要的約束，保持節(jié)點在不利情況下的基本抗剪能力，使縱筋可靠錨固，對節(jié)點區(qū)的箍筋最大間距、最小直徑、體積配箍率做出了規(guī)定?？v筋在節(jié)點的可靠錨固是節(jié)點構(gòu)造措施的主要內(nèi)容。規(guī)范對過點的直徑；對縱筋錨固長度；錨固方式都有詳細的規(guī)定。3.3.4 剪力墻構(gòu)造措施為保證剪力墻的延性和耗能能力，為墻肢提供約束，防止出現(xiàn)大的裂縫，規(guī)范對剪力墻的邊緣構(gòu)件做出了詳細規(guī)定；同時也對剪力墻的軸壓比作出了限制；為保證剪力墻的承載力和側(cè)向剛度，對剪力墻提出了最小墻厚的要求；為防止斜拉剪切破壞，限制斜裂縫的發(fā)展，減小溫度收縮裂縫，對剪力墻的水平、豎向分布筋的最小配筋率、最大間距、最小直徑做出了規(guī)定。綜上所述；框架結(jié)構(gòu)主要就是通過計算和構(gòu)造措施來實現(xiàn)“追求梁鉸機構(gòu)的能力設(shè)計方案”從而，進而實現(xiàn)“不壞，中震可修，不倒”的三水準設(shè)防目標的。整體上本次范的的執(zhí)行,比老規(guī)范在各類建筑中提高建筑用鋼量 40%.直接提高各類建筑建安成本造價(備注:主要包括建材直接成本安裝制作費)100 元-300 元.對于鋼結(jié)構(gòu)建筑提高 300-600 元.認為本次規(guī)范的調(diào)整對于部分城市是有益的,尤其是對于有潛在多發(fā)可能的城市.但認為本次規(guī)范存在過于浪費鋼材的事實.同時,因為規(guī)范在部分地方的要求不夠詳細,造成決大多數(shù)設(shè)計師不能完全理解,從而增大