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对我国钢筋混凝土结构抗震设计的一些理解
                               对我国钢筋混凝土结构抗震设计的一些理解
地震是对人类威胁最大的自然灾害之一,强烈地震会造成人身和财产的世大损失。自从1916年佐野利器博士发表房屋抗震结构,提出地震系数法以来,人类便开始了抗震设计计算,世界抗震设计理论也逐步发展起来,到目前为止,已经取得了丰硕的研究成果,并在实际工程中得以广泛的应用。实践证明,良好的抗震设计是保障房屋和工程结构地震安全减轻地震灾害的关键而有效的措施。要进行有效的作用下结构的反应如何,然后根据这两个方面来确定采取怎样抗震措施,设计能有效抵抗地震的结构。
一抗震设计的基点
1、强度和延性
对于钢筋混凝土结构,如果以与抗震设防烈相应的地震反应参与截面设计,保证结构在中震中仍处于完全弹性状态则有可能导致梁柱截面过大配筋过多。我国目前采用的是N.M.Newmark自60年代提出的延性结构设计思路,给结构设定一个较低的屈服水准,用强度来抵抗较小的地震,同时又使结构具备与屈服水准相应的延性水准,用屈服后的延性来抵抗更大的地震,这种将强度和延性两者结合起来的作法既经济又能使结构具备抗震的能力。M.J.N.Priestley于1999年提出:对于钢筋混凝土结构地震力降低系数R与结构所需延性能力μ之间适用的原则应是等屈服位移原则,即不同屈服水准下结构的屈服位移与弹性反应最大位移大致相当而弹塑性最大位移大致相当,而弹塑性最大位移大于弹性反应最大位移,并随着屈服水准的降低而增大。在相同的设防烈度水准下,R取值越大结构的非弹性变形就越大,对结构的延性要求也就应该越严。反过来说,对于一定的屈服水准,只要保证相应的延性要求,那么实现大震不倒的目标是完全可能的。
2、设计地震作用取值
若给结构设定低的承载力水准,则相应要求结构具有较高的延性水准,如果给结构设定较高的承载力水准,则结构需要的延性水准就可以较低。各国的做法均有差异,下表汇集了各国规范采用的不同地震力降低系数R。
各国规范规定的地震力降低系数R
欧洲共同体      新西兰    美国   中国
DCL低延性  2.5  弹性反应结构   1.25一般框架3.5
DCM中延性3.75  有限延性结构 3.0  中等框架 5.5  2.8
DCH高延性5.0延性结构6.0特殊框架8.5
从表中可以看出,我国的地震力降低系数R统一取2.8总的来看与其它几个国家的中等延性水准的R取值相近。对比同一地面运动峰值加速ag 作用下各国规范给出的反应谱可以发现,对短周期结构和2-2.5秒以上的长周期结构我国规范给出的结构峰值回事度 am取值与其他国家总体差别不大,但对于中等周期结构我国的am取值则明显偏小这样实际设计地震作用只相当于其它国家R=5.0左右的水准。因此,对于中等周期结构,与我国的设计地震作用相应的延性要求应该与其它国家取R=5.0时的高延性要求相近。而实际上我国规范的延性要求,比之其它国家规范中与R=5.0相应的延性要求,是相对较低的。所以,从承载力一延性联合准则来看,我国规范的抗震设计要求比其它国家偏不安全。
二、我国抗震设计规范中的能力设计法
我国抗震设计对结构提出的是高延性要求,即要求结构在较大的塑性变形状态下仍保持其搞竖向重力荷载和搞水平的能力。按T.Paulay和R.Park提出的能力设计法进行设计,主要方法为:1。根据结构在小震下可能达到的塑性变形的大小,通过把不希望出现塑性铰或不希望先出现塑性铰的部位的承载能力相对提高,使塑性变形主要出现在塑性变形能力好且耗能能力强的部位。相对加强各有关部位的抗简能力,防止结构在表现出所需延性之前发生剪切失效。并通过严格的抗震构造措施,使可能出现塑性铰的部位在产生相应塑性变形时仍保持有其承载能力,同时要求结构不形成层侧移机构。
能力设计法的第一条就是通过设置各部位抗弯能力级差就可以得到希望的塑性变形效应级差,第二条和第三条的实质就是保证各部位具有足够的塑性变形或塑性转动能力。它的基本思想包含了两个方面的级差,一是各部位抗弯能力之间的级差,二是抗弯能力之间的级差。
能力设计方法在我国抗震设计规范中的具体措施主要体现 在以下三个方面:
1强柱弱梁
我国规范采用的是梁柱铰机构,即要求在中震或大震时,梁端塑性铰出现较多、较早、塑性转动较大,柱端塑性铰则出现相对较晚,塑性转动相对较小。因此在进行正截面承载力设计时,梁端的正截面受弯承载力设计直接采用组合弯矩,术的正截面承载力设计则是通过柱弯矩增大系数人为加大截面相对于梁截面的高弯能力。
我国规范的强柱弱梁措施对7度区与9度区的效果较好,而对8度区则偏不安全。因为在7度区,梁端的配筋通常由重力荷载控制,柱的配筋一般由最小配筋率通常由重力荷载控制,柱的配筋一般由最小配筋率控制,相当于全面增大了柱子抗弯能力,框架的抗震性能起了有得作用。在9度,规范规定以梁端实配钢筋面积作材料标准值计算出的正截面受弯承载力为基数求出放大后的柱端弯矩设计值,在梁柱抗弯能力方面形成级差使强柱弱梁的效果的得以很好的保证,而在8度区,规范是以直接增大柱端弯矩设计值的方法来实现强柱弱梁的要求。由于规范规定节点左右梁上部筋按弯矩较大一侧贯通布置、梁端下部钢筋不少于上部钢筋的30-50%、跨中正弯矩所需下部钢筋伸入支座等构造措施使得梁端钢筋不可避免地出现超配现象,这就推迟了梁端塑性铰的出现,从而加大了柱端相对梁端提前出铰的可能性。故与7.9度区相比,8度区的强柱弱梁措施不够理想,结构偏不安全。
2强剪弱弯
在大震作用下,考虑框架结构将形成以染端塑性铰为主的梁柱铰塑性耗能机构,这就需要尽可能地避免梁柱端塑性铰区在产生充分塑性转动之前发生脆性的剪切破坏。我国抗震设计规范的措施主要是,用剪力增大系数增大梁端、柱端、剪力墙端、剪力墙洞口连梁以及梁柱节点中的组合剪力值,并用增大后剪力设计值进行受剪截面控制条件验算和受剪承载力设计。
需要指出的是,梁柱节点是钢筋混凝土构架抗震设计的重要部位,如果在梁端和柱端发挥出所应具有的塑性转动能力之前,与之相连的梁柱节点为发生剪切破坏,那么将对整个结构的抗震性能造成巨大的影响。因此,一定要保证节点在梁柱端达到所需的塑性转动要求之前不发生剪切破坏。在大震作用下,结构形成梁柱铰机构,虽有部分柱端屈服,但未破坏,此时不需要要求节点比未破坏的柱更强,两者在大震作用下都应以不破坏为标准。并且由于梁、柱中的各种钢筋在节点处交汇,造成节点处钢筋过分密集和拥挤,所谓的更强节点在施工中也不易操作。
3构造措施
通过相应构造措施保证可能出现塑性铰的部位具有所需的塑性转动能力和塑性耗能能力,这些构造措施主要包括对纵筋配筋率、对柱轴压比以及对塑性铰部位约束箍筋的要求。
柱端弯矩增大系数取值的大小与柱轴压比限值和约束箍筋强弱等构造措施之间是紧密相关的。柱弯矩增大系数越大,柱端产生的塑性变形越小,需要的塑性变形能力或延性水平就越低,而柱的延性水平主要取决于柱轴压比和约束箍筋的强弱,因此对柱轴压比限值和约束箍筋强弱的要求就可以越低,反之亦然。如果柱弯矩增大系数大到可以使结构形成梁铰机构,由于这种情况下除底层柱底以外的其他各层柱端原则上不出铰,因此就不必对这些柱端提出严格的轴压比控制条件和约束箍筋要求:如果柱弯矩增大系数的取值只是使结构形成,梁柱铰机构,由于各层柱端都可能出现一定程度的塑性变形,因此必须对这些柱端的轴压比限值和约束箍筋提出一定严格程度的要求,以保证柱端具备足够的延性。
三、框架-剪力墙结构抗震设计分析
对框架-剪力墙结构中的框架部分,能力设计措施主要体现在:强柱弱梁。《建筑抗震设计规范》(下面简称规范)6.2.2条对一级框架及9度区的框架按梁端实际受弯承载力调整柱端弯矩设计值,其余的一、二、三级框架采用直接放大梁端弯矩设计组合值的方式来调整柱端弯矩设计值。强剪弱弯。规范6.2.4条、6.2.5条对一级框架结构的框架梁和柱及9度区的框架梁和柱,按梁端和柱端的实际受弯承载力调整相应的剪力设计值,其余的一、二、三级框架梁和框架柱以及抗震墙中跨高在于2.5的连梁,采用直接放大梁端剪力设计组合值的方式来调整毅力设计值。构造措施规范6.2.9条对跨高比大于和小于2.5的连梁、柱、抗震墙和连梁的剪力组合设计值做了限制,防止发生斜压破坏。规范率、箍筋加密以及增加混凝土极限压应变来确保梁柱具有所需的延性要求。6.2.15条还对框架节点核心区的抗剪验算进行了规定,保证结构在达到所需延性要求之前节点区不发生剪切破坏。
对剪力墙部分,能力设计措施又主要体现在:强墙肢弱连梁。规范6.2.7条规定,一级抗震墙的底部加强部位以及以上一层应按墙肢底部截面组合弯矩设计值的1.2倍进行正截面设计。通过配筋的方式引导塑性铰区位于墙肢底部加强部位,让塑性转动能力较好的连梁来耗散能量,确保结构的整体延性要求。强剪弱弯,规范6.2.4条对跨高比大于2.5的连梁梁端的剪力设计值调整同框架梁。规范6.2.8条对剪力墙底部加强部位的剪力设计值也进行了类似的调整,目的也是使这些部位满足强剪弱弯的要求。而对跨高比不大于2的连梁规范6.4.10条规定配置斜向交叉钢筋作为改善连梁抗剪性能的构造措施。构造措施。规范6.4.5-6.4.8条分别对一、二级抗震墙的底部加强部位的轴压比限值、抗震墙两端和洞口两侧边缘构件的设置、抗震墙约束边缘构件的设置、抗震墙构造边缘件的设置等都作出了相关的规定。
此外,规范6.2.13条还规定,侧向刚度沿竖向分布基本均匀的框架—剪力墙结构,任一层构架部分的地震剪力,不应小于结构底部地震总剪力的20%和按框架-剪力墙结构分析的框架部分各楼层地震剪力中最大值1.5倍二者的较小值。这主要是考虑框架-剪力墙结构在强烈地震中,由于墙体开裂刚度退化,将引起框架和剪力墙之间塑性内力重分布,帮需高速框架部分承担的地震剪力,这充分体现了框架-剪力墙结构多道抗震设防的原则。
以能力设计法为核心的钢筋混凝土理论发展至今,其科学性和有效性以被充分证实,并为世界各国规范所接受。我国抗震规范虽然仍存在一些需要进一步涂探讨和澄清的问题,但经过大量的实际工程的检验,仍然是安全有效的。规范中不够清晰的问题,有待于钢筋混凝土结构抗震理论与试验研究的进一步发展来逐步澄清。
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