钢筋混凝土结构抗震措施及其原理探讨

囵团　匿豳　…　ａ　建筑技术　钢筋混凝土结构抗震措施及其原理探讨　贺琴　（重庆大学土木工程学院，重庆４０００４５）　摘要：建筑物抗震性能的优劣主要取决于其吸能耗能能力的大小，即延性大小。结合抗震规范分析了旨在提高结构延性的抗震措　施及其机理，为深入理解和运用这些措施提供参考。　关键词：抗震措施；强柱弱梁；结构延性　斜裂缝，则原来由混凝土承担的主拉应力就　比。梁随其跨高比减小，剪力影响增大，剪切　１钢筋混凝土结构的抗震措施　使混凝土框架结构具有高延性的“能力　将改由平行受力方向的节点沿受力方向的箍　变形比重加大．延性变弱。规范规定不宜小于　肢和纵筋承担剪力。第二种机构称为“斜压杆　设计措施”即为我国钢筋混凝土结构的“抗震　４。⑤塑性铰区的箍筋量。对梁端塑性铰区进　措施”　就我国现行的抗震规范而言，抗震措　施主要有强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件　和构造措施。　１．１强柱弱梁　“强柱弱梁”措施是为了使梁端铰较早地　出现，使柱端的塑性铰出现晚，或根本不出　现。梁铰机制之所以优于柱铰机制是因为梁　铰分散在各层，即使梁端全部形成了塑性铰，　结构仍不会形成机构，不至于立即倒塌。而一　旦某一层全部柱的上、下端都已经形成了塑　性铰，该层就将与其以上楼层一起形成机构，　从而形成倒塌机构。梁铰的数量远多于柱铰　的数量，在同样大小的塑性铰变形和耗能要　求下，对梁铰的塑性转动能力要求低，对柱铰　的塑性转动能力要求高；梁是受弯构件，容易　实现大的延性和耗能能力，柱是压弯构件，尤　其是轴压比大的柱，不容易实现大延性。设计　中，依据我国抗震规范通过调整汇交在同一　节点的梁端截面受弯承载力与柱端截面的正　截面承载力的相对关系实现梁铰机制。　１．２强剪弱弯　适筋梁或大偏压柱，在正截面破坏时可　以达到较好的延性，可以吸收和耗散地震能　量，使内力重分布得以充分发展。而钢筋混凝　土梁柱在受到较大剪力时，往往呈现脆性剪　切破坏。所以在进行框架梁、柱设计时，应当　人为加大柱端、梁端和节点的组合剪力值，即　人为加大这些部位相对于正截面承载力的抗　剪能力，使结构能在大震引起的交替非弹性　变形过程中，其任何部位都不会首先发生剪　切破坏，即“强剪弱弯”措施。　１．３强节点弱构件及其它提高延性的措　施　关于“强节点弱构件”设计方面，首先要　明确节点的受力机理和剪力传递机理，以钢　筋混凝土框架结构中间层中节点为例进行讨　论，其它部位节点与之类似。对于框架中间层　中节点在高烈度区强震作用下，因地震引起　的弯矩在所有组合弯矩中所占比重很大，将　形成一侧梁端弯矩为负，另一侧梁端弯矩为　正的局面，而与之相平衡的上下柱端弯矩也　会很大。这时梁（或柱）都会通过钢筋和混凝　土把大部分剪力传人节点，形成水平（或竖　向）剪力，只有少部分传给上、下柱（或左右　梁）中。　而传人节点核心区的剪力主要靠三种抗　剪机构承担。第一种机构称为“桁架机构”，它　是由梁、柱纵筋与混凝土界面上的粘结力经　核心区周边剪力流传人，这样形成一个斜向　主拉应力和主压应力，当地震反向时，主应力　方向也反向。一旦主拉应力超过混凝土双向　受力时的抗拉强度，核心区混凝土就会产生　一１９２一　中国新技术新产品　机构”，它是由梁、柱端混凝土压力引起的核　行箍筋加密等措施能有效提高塑性铰的转动　心区承担剪力的机构。与第一种机构相比，第　能力，提高延性。⑥梁端受力纵筋在节点处有　二种机构形成的斜向压应力只分布在对角线　可靠的粘结锚固。⑦按“强剪弱弯”原则对梁　方向的一个带宽范围内。第三种机构是一种　中剪力进行调整，避免过早形成剪切坏形态。　间接参与抗节点剪力的机构，就是通过节点　２．２提高框架柱延性的措施　水平箍筋对核心区的约束作用，成为“约束机　对于框架柱影响其延性的因素及保证高　构”。　延性的措施有：①轴压比ｎ。柱位移延性会随　对于中间层中节点，试验表明随着剪压　ｎ的增大而急剧下降，因此限制柱的轴压比　比的增大，在反复地震作用下，节点区混凝土　不能太大。②剪跨比　。试验表明：Ｘ＞２属于长　承担的斜向压力增大。特别是我国规范规定　柱，压弯型破坏，有一定的变形能力；　：１．５　的梁筋贯穿段粘结条件偏弱的情况下，随着　２，短柱，破坏以剪切为主，有一定延性的剪压　贯穿段粘结退化，节点核心区“桁架机构”有　破坏。Ｘ＜１．５，极短柱，脆性剪切破坏，抗震性　所减弱，而“斜压杆机构”作用增强。梁端屈服　能差，尽量避免。③纵筋配筋率Ｐ。随Ｐ增大，、　后，在节点组合体非线性变形增大的过程中，　柱纵筋屈服时的转角变形线性增大，因此要　斜压混凝土受力及横向膨胀增长，加之节点　限制柱子纵筋最小配筋率。④箍筋。箍筋约束　交替正反向受力，破碎逐步严重，使节点箍筋　核心混凝土，提高压区混凝土的极限应变值，　各肢普遍屈服，约束力达到极限，最终因混凝　阻止柱身斜裂缝的开展提高柱的延性。⑤柱　土斜向压溃而形成节点核心区的斜压型剪切　端受力纵筋在节点处有可靠的粘结锚固。⑥　失效。　“强柱弱梁”调整柱端弯矩，避免形成柱铰机　如前所述，由于节点区的受力状况非常　制。⑦“强剪弱弯”调整柱剪力设计值。避免过　复杂，所以在结构设计时只有保证各节点不　早形成剪切坏形态。　出现脆性剪切破坏，才能使梁、柱充分发挥其　总之，通过适当的抗震措施保证结构的　承载能力和变形能力。即在梁、柱塑性铰顺序　延性耗能能力，使其在地震作用下不至于迅　出现完成之前，节点区不能过早破坏。　速倒塌，对保护人民生命财产安全有重要意　此外，框架的延性设计还包括柱轴压比　义。　限制。轴压比是影Ｉ响柱的延性的重要因素之　参考文献　一，柱的变形能力随轴压比增大而急剧降低。　【Ｉ］ＧＢ５００ｌ１—２００１（２００８版）．建筑抗震设计规　控制轴压比的实质就是希望框架柱在地震作　范【Ｓ１．　用下，仍能实现大偏心受压下的弯曲破坏，使　【３】杨红＇韦峰，白绍良等．柱增强系数取值对钢　柱具有延性性质。箍筋方面，在塑性铰区配置　筋混凝土抗震框架塑性铰机构的控制结果　足够的箍筋，可约束核心混凝土，显著提高塑　【Ｊ】．工程力学．２００５，２２（２）：１５５—１６１．　性铰区混凝土的极限应变值，提高抗压强度，　ｆ４１张豫川，李德荣．加强综合预控措施来提高　防止斜裂缝的开展，从而可充分发挥塑性铰　建筑物的抗震减灾能力　．地震工程与工程震　的变形和耗能能力，提高梁、柱的延性。另外　动．２００６，２６（３１：５４－５６．　还有通过限制混凝土受压区相对高度ｘ／ｈ０　【５】余瑜．框架节点抗震构造措施们．建筑技术．　以及纵筋配筋率等措施来提高结构延性。试　２００６．３７（５）：３６８—３７１．　验表明：钢筋混凝土单筋梁的变形能力，随截　【６］Ｌｉ　Ｂｉｎｇ，Ｋｕｌｋａｒｎｉ，Ｓｕｄｈａｋａｒ　Ａ．Ｓｅｉｓｍｉｃ　面混凝土受压区相对高度ｘ／ｈＯ的减小而增　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｅｘｔｅｒｉｏｒ　ｗｉｄｅ　大，而ｘ／ｈＯ随着纵筋配筋率的增大、钢筋屈服　ｂｅａｍ—ｃｏｌｕｍｎ　ｉｏｉｎｔｓ　．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　强度的提高和混凝土强度等级的降低而增　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．２０１０，ｌ３６（１）：２６—３６．　大，延性性能降低。　２以具体构件为例说明抗震措施　２．１提高框架梁延性的措施　对于框架梁影响其延性的因素及保证高　延性的措施有：①纵筋配筋率Ｐ。保证纵筋配　筋率不至于过大。②截面相列受压区高度。截　面相对受压区高度也要控制在一定范围内，　试验研究表明，当ｘ／ｈｏ＝０．２０～０．３５，延性即可　达３—４。③剪压比　。试验研究表明，在塑性铰　区，　对梁的延性、耗能影响大。当ｋ＞０．１５时，　梁的强度和刚度即有明显退化现象。因此，要　控制梁的剪压比，防止梁斜压破坏。④跨高