钢筋混凝土结构抗震措施及其原理探讨

钢筋混凝土结构抗震措施及其原理探讨

作者：贺 琴

来源：《中国新技术新产品》2010年第11期

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

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“能力设计措施”即为我国钢筋混凝土结构的“抗震措施”。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

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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入节点,形成水平(或竖向)剪力,只有少部分传给上、下柱(或左右梁)中。

而传入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入,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斜裂缝,则原来由混凝土承担的主拉应力就将改由平行受力方向的节点沿受力方向的箍肢和纵筋承担剪力。第二种机构称为“斜压杆机构”,它是由梁、柱端混凝土压力引起的核心区承担剪力的机构。与第一种机构相比,第二种机构形成的斜向压应力只分布在对角线方向的一个带宽范围内。第三种机构是一种间接参与抗节点剪力的机构,就是通过节点水平箍筋对核心区的约束作用,成为“约束机构”。

对于中间层中节点,试验表明随着剪压比的增大,在反复地震作用下,节点区混凝土承担的斜向压力增大。特别是我国规范规定的梁筋贯穿段粘结条件偏弱的情况下,随着贯穿段粘结退化,节点核心区“桁架机构”有所减弱,而“斜压杆机构”作用增强。梁端屈服后,在节点组合体非线性变形增大的过程中,斜压混凝土受力及横向膨胀增长,加之节点交替正反向受力,破碎逐步严重,使节点箍筋各肢普遍屈服,约束力达到极限,最终因混凝土斜向压溃而形成节点核心区的斜压型剪切失效。

如前所述,由于节点区的受力状况非常复杂,所以在结构设计时只有保证各节点不出现脆性剪切破坏,才能使梁、柱充分发挥其承载能力和变形能力。即在梁、柱塑性铰顺序出现完成之前,节点区不能过早破坏。

此外,框架的延性设计还包括柱轴压比限制。轴压比是影响柱的延性的重要因素之一,柱的变形能力随轴压比增大而急剧降低。控制轴压比的实质就是希望框架柱在地震作用下,仍能实现大偏心受压下的弯曲破坏,使柱具有延性性质。箍筋方面,在塑性铰区配置足够的箍筋,可约束核心混凝土,显著提高塑性铰区混凝土的极限应变值,提高抗压强度,防止斜裂缝的开展,从而可充分发挥塑性铰的变形和耗能能力,提高梁、柱的延性。另外还有通过限制混凝土受压区相对高度x/h0以及纵筋配筋率等措施来提高结构延性。试验表明:钢筋混凝土单筋梁的变形能力,随截面混凝土受压区相对高度x/h0的减小而增大,而x/h0随着纵筋配筋率的增大、钢筋屈服强度的提高和混凝土强度等级的降低而增大,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ρ。保证纵筋配筋率不至于过大。②截面相对受压区高度。截面相对受压区高度也要控制在一定范围内,试验研究表

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明,当x/h0=0.20～0.35,延性即可达3～4。③剪压比λ。试验研究表明,在塑性铰区,λ对梁的延性、耗能影响大。当λ>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跨高比。梁随其跨高比减小,剪力影响增大,剪切变形比重加大,延性变弱。规范规定不宜小于4。⑤塑性铰区的箍筋量。对梁端塑性铰区进行箍筋加密等措施能有效提高塑性铰的转动能力,提高延性。⑥梁端受力纵筋在节点处有可靠的粘结锚固。⑦按“强剪弱弯”原则对梁中剪力进行调整,避免过早形成剪切坏形态。 2.2 提高框架柱延性的措施

对于框架柱影响其延性的因素及保证高延性的措施有:①轴压比n。柱位移延性会随n的增大而急剧下降,因此限制柱的轴压比不能太大。②剪跨比λ。试验表明:λ>2属于长柱,压弯型破坏,有一定的变形能力;λ=1.5～2,短柱,破坏以剪切为主,有一定延性的剪压破坏。λ

总之,通过适当的抗震措施保证结构的延性耗能能力,使其在地震作用下不至于迅速倒塌,对保护人民生命财产安全有重要意义。 参考文献

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