鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的剛度和柔度

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的剛度和柔度混凝土結(jié)構(gòu)太剛則變形能力差，強(qiáng)大的地震力瞬間襲來(lái)時(shí)，沒(méi)有足夠的延性來(lái)緩沖，依靠結(jié)構(gòu)的剛度來(lái)硬碰硬，容易造成局部受損進(jìn)而導(dǎo)致整體破壞；結(jié)構(gòu)太柔的體系當(dāng)強(qiáng)大的地震力瞬間襲來(lái)時(shí)，沒(méi)有足夠的剛度抗衡，只有依靠延性變形來(lái)消減外力。但是鋼筋混凝土位移過(guò)大，和扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)，對(duì)建筑物的影響是致命的。構(gòu)的剛度是指結(jié)構(gòu)體系抵抗由外載引起變形的能力，由剛度系數(shù)及由它們組成的剛度矩陣定量。結(jié)構(gòu)剛度通常指靜剛度，與結(jié)構(gòu)的材料、幾何形狀以及邊界條件相關(guān)；在大變形幾何非線性情況下與應(yīng)力大小、方向及分布以及位移量值與分布相關(guān)。結(jié)構(gòu)剛度與柔度是相對(duì)的概念，它們互逆。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須有一定剛度要求才能使結(jié)構(gòu)在正常工作載荷下保持必要的外形，在抵抗受壓與剪力時(shí)不致于屈曲。20世紀(jì)70年代后期，新西蘭的T.Paulay和R.Park提出了保證鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有足夠彈塑性變形能力的設(shè)計(jì)方法。該方法是基于對(duì)非彈性性能對(duì)結(jié)構(gòu)抗震能力貢獻(xiàn)的理解和超靜定結(jié)構(gòu)在地震作用下實(shí)現(xiàn)具有延性破壞機(jī)制的控制思想提出的，可有效保證和達(dá)到結(jié)構(gòu)抗震抵抗強(qiáng)大破壞力，又使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做到剛?cè)岵?jì)，經(jīng)濟(jì)合理。第一原則：柱剛梁柔：框架結(jié)構(gòu)或框架—剪力墻（核心筒）結(jié)構(gòu)在地震作用下形成梁鉸機(jī)構(gòu)即控制塑性變形能力大的梁端先于柱出現(xiàn)塑性鉸，即所謂“強(qiáng)柱弱梁”；通俗的理解就是柱剛梁柔。驗(yàn)研究表明,梁先屈服,可使整個(gè)框架有較大的內(nèi)力重分布和能量消耗能力,極限層間位移增大,抗震性能較好。在建筑結(jié)構(gòu)中，框架柱破壞，梁會(huì)跟著變形破壞；而梁破壞了，柱還可以不破壞，甚至在梁破壞倒塌的間隙中還有可能存在縫隙，從而形成安全通道。因此可見(jiàn)柱承擔(dān)的功能責(zé)任比梁大，柱不能先破壞。為了保證柱是在最后失效，我們要有意識(shí)把梁設(shè)計(jì)成相對(duì)薄弱的環(huán)節(jié)，使其破壞在先，以最大限度減少可能出現(xiàn)的損失。如果梁柱等同看待，企圖讓他們都“堅(jiān)不可摧”，則可能會(huì)造成同時(shí)破壞，后果會(huì)更糟糕，損失會(huì)更大。實(shí)現(xiàn)強(qiáng)柱弱梁的優(yōu)點(diǎn)有三：（1）梁的破壞一般只影響本層與相鄰上層，梁屬于局部性構(gòu)件；而柱子的破壞要影響其上各層，相對(duì)來(lái)說(shuō)柱是全局構(gòu)件。（2）梁的塑性鉸出現(xiàn)在兩端，一般可以最多出現(xiàn)三個(gè)，才能達(dá)到最終結(jié)構(gòu)破壞，吸收耗散外部作用的能量多；而柱一般只是一個(gè)，吸收耗能量相對(duì)很少。（3）作為構(gòu)件，柱的截面應(yīng)力分布較為均勻，截面材料利用充分，塑性變形余度??；梁以受彎為主，在跨度方向，彎距分布不均勻，在同一截面也不均勻，截面材料利用效率較低，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，梁的截面尺寸也比較大，所以在塑性變形，應(yīng)力重新分布時(shí)，調(diào)節(jié)余度和潛力相對(duì)也較大。讓我們看看在結(jié)構(gòu)體系中到底有哪些具體的指標(biāo)在控制著梁和柱的剛度和柔度。《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2001中的6.2.2和6.2.3中說(shuō)明要人為的增大柱端彎距設(shè)計(jì)值。即是體現(xiàn)了強(qiáng)柱的原則。《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定5.2.3在豎向荷載作用下，可考慮框架梁端塑性變形內(nèi)力重分布對(duì)梁端負(fù)彎矩乘以調(diào)幅系數(shù)進(jìn)行調(diào)幅，并應(yīng)符合下列規(guī)定：裝配整體式框架梁端負(fù)彎矩調(diào)幅系數(shù)可取為0.7?0.8；現(xiàn)澆框架梁端負(fù)彎矩調(diào)幅系數(shù)可取為0.8?0.9；這個(gè)規(guī)定就是體現(xiàn)了弱梁的原則。第二原則：抗剪力剛，抗彎曲柔。避免構(gòu)件（梁、柱、墻）剪力較大的部位在梁端達(dá)到塑性變形能力極限之前發(fā)生非延性破壞，即控制脆性破壞形式的發(fā)生，即所謂“強(qiáng)剪弱彎”；就是抗剪力剛，抗彎曲柔。彎曲破壞和剪切破壞是鋼筋混凝土框架柱在地震作用下常見(jiàn)的破壞形式。其中彎曲破壞屬于延性破壞形式，柱發(fā)生彎曲破壞可以擁有較大的非線形變形而強(qiáng)度和剛度降低較少；而剪切破壞屬于脆性破壞形式，柱發(fā)生剪切破壞常常伴隨著剛度和強(qiáng)度的較大的退化，破壞突然，對(duì)結(jié)構(gòu)整體安全性影響也較大?？辜袅?，抗彎曲柔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目的就是盡量使結(jié)構(gòu)在遭受強(qiáng)烈地震作用時(shí)出現(xiàn)延性破壞形式使結(jié)構(gòu)擁有良好的變形能力和耗能能力。我國(guó)現(xiàn)行建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范GB50011-2001，針對(duì)鋼筋混凝土框架柱，為了實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)剪弱彎”的設(shè)計(jì)目的，在確定柱的剪力設(shè)計(jì)值時(shí)，根據(jù)柱端彎矩得出剪力的基礎(chǔ)上，對(duì)剪力設(shè)計(jì)值進(jìn)行了調(diào)整，即V=nVc（Muc+Mlc）/Hn一級(jí)：nVc1.4；二級(jí)：nvci.2；（1）三級(jí)：nvci.i。式中：nVC剪切增強(qiáng)系數(shù)；Hn是柱的凈高；Muc、Mlc分別為柱的上、下端順時(shí)針或反時(shí)針?lè)较蚪孛娼M合的彎矩設(shè)計(jì)值。按照上面的設(shè)計(jì)方法，當(dāng)柱端彎矩效應(yīng)等于柱端彎矩抗力時(shí)，柱端抗彎達(dá)到極限狀態(tài)。但此時(shí)，從式（1）可以看出，由于剪切增強(qiáng)系數(shù)nvc存在，此時(shí)柱端承受的剪力效應(yīng)要小于剪切設(shè)計(jì)抗力，如果不考慮材料強(qiáng)度、幾何尺寸等隨機(jī)因素的影響，那么柱端彎曲破壞一定會(huì)先于剪切破壞發(fā)生，這樣就很好地完成“強(qiáng)剪弱彎”的設(shè)計(jì)目的。第三原則：節(jié)點(diǎn)剛，構(gòu)件柔；在框架節(jié)點(diǎn)的抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)滿足：節(jié)點(diǎn)的承載力不應(yīng)低于其連接構(gòu)件（梁、柱）的承載力，梁柱縱筋在節(jié)點(diǎn)區(qū)應(yīng)有可靠的錨固。通過(guò)各類構(gòu)造措施保證將出現(xiàn)較大塑性變形的部位確實(shí)具有所需要的非彈性變形能力。在豎向荷載和地震作用下，框架節(jié)點(diǎn)主要承受柱傳來(lái)的軸向力、彎矩、剪力和梁傳來(lái)的彎矩剪力?？蚣芄?jié)點(diǎn)是框架梁柱構(gòu)件的公共部分，節(jié)點(diǎn)的失效意味著與之相連的梁與柱同時(shí)失效。另一方面，混凝土構(gòu)件中鋼筋屈服的前提是鋼筋必須有可靠的錨固，相應(yīng)地塑性鉸形成的基本前提也是保證梁柱縱筋在節(jié)點(diǎn)區(qū)有可靠的錨固。國(guó)內(nèi)外大地震的震害表明，鋼筋混凝土框架節(jié)點(diǎn)在地震中多有不同程度的破壞，破壞的主要形式是節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)剪切破壞和鋼筋錨固破壞，節(jié)點(diǎn)區(qū)的破壞形式為由主拉應(yīng)力引起的剪切破壞。如果節(jié)點(diǎn)未設(shè)箍筋不足，則由于抗剪能力不足，節(jié)點(diǎn)區(qū)出現(xiàn)多條交叉斜裂縫，斜裂縫間混凝土被壓碎，柱內(nèi)縱向鋼筋壓屈。節(jié)點(diǎn)破壞嚴(yán)重的會(huì)引起整個(gè)框架倒塌。節(jié)點(diǎn)破壞后的修復(fù)也比較困難?！督ㄖ拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2001中的6.2.15中說(shuō)明，框架的節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)域應(yīng)符合下列要求。6.2.15框架節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)的抗震驗(yàn)算應(yīng)符合下列要求：（1）一、二級(jí)框架的節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)，應(yīng)進(jìn)行抗震驗(yàn)算；三、四級(jí)框架節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)，可不進(jìn)行抗震驗(yàn)算，但應(yīng)符合抗震構(gòu)造措施的要求。（2）核芯區(qū)截面抗震驗(yàn)算方法應(yīng)符合本規(guī)范附錄D的規(guī)定。在結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施上就是具體這些。6.3.14框架節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)箍筋的最大間距和最小直徑宜按本章6.3.8條采用，一、二、三級(jí)框架節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)配箍特征值分別不宜小于0.12、0.10和0.08且體積配箍率分別不宜小于0.6%、0.5%和0.4%。柱剪跨比不大于2的框架節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)配箍特征值不宜小于核芯區(qū)上、下柱端的較大配箍特征值。結(jié)束語(yǔ)：混凝土結(jié)構(gòu)的剛度和柔度知識(shí)是一個(gè)相對(duì)的概念，而不是絕對(duì)的概念。到底是剛多一些好呢，還是柔多一些好呢，這正是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師在工程中應(yīng)當(dāng)把握的靈活的一個(gè)度。柔增一分則太剛，剛