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對我國鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的一些理解
發(fā)布日期：2020-05-20 15:26:03 瀏覽量：953| 對我國鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的一些理解 地震是對人類威脅最大的自然災(zāi)害之一，強烈地震會造成人身和財產(chǎn)的世大損失。自從1916年佐野利器博士發(fā)表房屋抗震結(jié)構(gòu)，提出地震系數(shù)法以來，人類便開始了抗震設(shè)計計算，世界抗震設(shè)計理論也逐步發(fā)展起來，到目前為止，已經(jīng)取得了豐碩的研究成果，并在實際工程中得以廣泛的應(yīng)用。實踐證明，良好的抗震設(shè)計是保障房屋和工程結(jié)構(gòu)地震安全減輕地震災(zāi)害的關(guān)鍵而有效的措施。要進行有效的作用下結(jié)構(gòu)的反應(yīng)如何，然后根據(jù)這兩個方面來確定采取怎樣抗震措施，設(shè)計能有效抵抗地震的結(jié)構(gòu)。 一抗震設(shè)計的基點 1、強度和延性 對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，如果以與抗震設(shè)防烈相應(yīng)的地震反應(yīng)參與截面設(shè)計，保證結(jié)構(gòu)在中震中仍處于完全彈性狀態(tài)則有可能導(dǎo)致梁柱截面過大配筋過多。我國目前采用的是N.M.Newmark自60年代提出的延性結(jié)構(gòu)設(shè)計思路，給結(jié)構(gòu)設(shè)定一個較低的屈服水準(zhǔn)，用強度來抵抗較小的地震，同時又使結(jié)構(gòu)具備與屈服水準(zhǔn)相應(yīng)的延性水準(zhǔn)，用屈服后的延性來抵抗更大的地震，這種將強度和延性兩者結(jié)合起來的作法既經(jīng)濟又能使結(jié)構(gòu)具備抗震的能力。M.J.N.Priestley于1999年提出：對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)地震力降低系數(shù)R與結(jié)構(gòu)所需延性能力μ之間適用的原則應(yīng)是等屈服位移原則，即不同屈服水準(zhǔn)下結(jié)構(gòu)的屈服位移與彈性反應(yīng)最大位移大致相當(dāng)而彈塑性最大位移大致相當(dāng)，而彈塑性最大位移大于彈性反應(yīng)最大位移，并隨著屈服水準(zhǔn)的降低而增大。在相同的設(shè)防烈度水準(zhǔn)下，R取值越大結(jié)構(gòu)的非彈性變形就越大，對結(jié)構(gòu)的延性要求也就應(yīng)該越嚴(yán)。反過來說，對于一定的屈服水準(zhǔn)，只要保證相應(yīng)的延性要求，那么實現(xiàn)大震不倒的目標(biāo)是完全可能的。 2、設(shè)計地震作用取值 若給結(jié)構(gòu)設(shè)定低的承載力水準(zhǔn)，則相應(yīng)要求結(jié)構(gòu)具有較高的延性水準(zhǔn)，如果給結(jié)構(gòu)設(shè)定較高的承載力水準(zhǔn)，則結(jié)構(gòu)需要的延性水準(zhǔn)就可以較低。各國的做法均有差異，下表匯集了各國規(guī)范采用的不同地震力降低系數(shù)R。 各國規(guī)范規(guī)定的地震力降低系數(shù)R 歐洲共同體 新西蘭 美國 中國 DCL低延性 2.5 彈性反應(yīng)結(jié)構(gòu) 1.25一般框架3.5 DCM中延性3.75 有限延性結(jié)構(gòu) 3.0 中等框架 5.5 2.8 DCH高延性5.0延性結(jié)構(gòu)6.0特殊框架8.5 從表中可以看出，我國的地震力降低系數(shù)R統(tǒng)一取2.8總的來看與其它幾個國家的中等延性水準(zhǔn)的R取值相近。對比同一地面運動峰值加速ag 作用下各國規(guī)范給出的反應(yīng)譜可以發(fā)現(xiàn)，對短周期結(jié)構(gòu)和2-2.5秒以上的長周期結(jié)構(gòu)我國規(guī)范給出的結(jié)構(gòu)峰值回事度 am取值與其他國家總體差別不大，但對于中等周期結(jié)構(gòu)我國的am取值則明顯偏小這樣實際設(shè)計地震作用只相當(dāng)于其它國家R=5.0左右的水準(zhǔn)。因此，對于中等周期結(jié)構(gòu)，與我國的設(shè)計地震作用相應(yīng)的延性要求應(yīng)該與其它國家取R=5.0時的高延性要求相近。而實際上我國規(guī)范的延性要求，比之其它國家規(guī)范中與R=5.0相應(yīng)的延性要求，是相對較低的。所以，從承載力一延性聯(lián)合準(zhǔn)則來看，我國規(guī)范的抗震設(shè)計要求比其它國家偏不安全。 二、我國抗震設(shè)計規(guī)范中的能力設(shè)計法 我國抗震設(shè)計對結(jié)構(gòu)提出的是高延性要求，即要求結(jié)構(gòu)在較大的塑性變形狀態(tài)下仍保持其搞豎向重力荷載和搞水平的能力。按T.Paulay和R.Park提出的能力設(shè)計法進行設(shè)計，主要方法為：1。根據(jù)結(jié)構(gòu)在小震下可能達到的塑性變形的大小，通過把不希望出現(xiàn)塑性鉸或不希望先出現(xiàn)塑性鉸的部位的承載能力相對提高，使塑性變形主要出現(xiàn)在塑性變形能力好且耗能能力強的部位。相對加強各有關(guān)部位的抗簡能力，防止結(jié)構(gòu)在表現(xiàn)出所需延性之前發(fā)生剪切失效。并通過嚴(yán)格的抗震構(gòu)造措施，使可能出現(xiàn)塑性鉸的部位在產(chǎn)生相應(yīng)塑性變形時仍保持有其承載能力，同時要求結(jié)構(gòu)不形成層側(cè)移機構(gòu)。 能力設(shè)計法的第一條就是通過設(shè)置各部位抗彎能力級差就可以得到希望的塑性變形效應(yīng)級差，第二條和第三條的實質(zhì)就是保證各部位具有足夠的塑性變形或塑性轉(zhuǎn)動能力。它的基本思想包含了兩個方面的級差，一是各部位抗彎能力之間的級差，二是抗彎能力之間的級差。 能力設(shè)計方法在我國抗震設(shè)計規(guī)范中的具體措施主要體現(xiàn) 在以下三個方面： 1強柱弱梁 我國規(guī)范采用的是梁柱鉸機構(gòu)，即要求在中震或大震時，梁端塑性鉸出現(xiàn)較多、較早、塑性轉(zhuǎn)動較大，柱端塑性鉸則出現(xiàn)相對較晚，塑性轉(zhuǎn)動相對較小。因此在進行正截面承載力設(shè)計時，梁端的正截面受彎承載力設(shè)計直接采用組合彎矩，術(shù)的正截面承載力設(shè)計則是通過柱彎矩增大系數(shù)人為加大截面相對于梁截面的高彎能力。 我國規(guī)范的強柱弱梁措施對7度區(qū)與9度區(qū)的效果較好，而對8度區(qū)則偏不安全。因為在7度區(qū)，梁端的配筋通常由重力荷載控制，柱的配筋一般由最小配筋率通常由重力荷載控制，柱的配筋一般由最小配筋率控制，相當(dāng)于全面增大了柱子抗彎能力，框架的抗震性能起了有得作用。在9度，規(guī)范規(guī)定以梁端實配鋼筋面積作材料標(biāo)準(zhǔn)值計算出的正截面受彎承載力為基數(shù)求出放大后的柱端彎矩設(shè)計值，在梁柱抗彎能力方面形成級差使強柱弱梁的效果的得以很好的保證，而在8度區(qū)，規(guī)范是以直接增大柱端彎矩設(shè)計值的方法來實現(xiàn)強柱弱梁的要求。由于規(guī)范規(guī)定節(jié)點左右梁上部筋按彎矩較大一側(cè)貫通布置、梁端下部鋼筋不少于上部鋼筋的30-50%、跨中正彎矩所需下部鋼筋伸入支座等構(gòu)造措施使得梁端鋼筋不可避免地出現(xiàn)超配現(xiàn)象，這就推遲了梁端塑性鉸的出現(xiàn)，從而加大了柱端相對梁端提前出鉸的可能性。故與7.9度區(qū)相比，8度區(qū)的強柱弱梁措施不夠理想，結(jié)構(gòu)偏不安全。 2強剪弱彎 在大震作用下，考慮框架結(jié)構(gòu)將形成以染端塑性鉸為主的梁柱鉸塑性耗能機構(gòu)，這就需要盡可能地避免梁柱端塑性鉸區(qū)在產(chǎn)生充分塑性轉(zhuǎn)動之前發(fā)生脆性的剪切破壞。我國抗震設(shè)計規(guī)范的措施主要是，用剪力增大系數(shù)增大梁端、柱端、剪力墻端、剪力墻洞口連梁以及梁柱節(jié)點中的組合剪力值，并用增大后剪力設(shè)計值進行受剪截面控制條件驗算和受剪承載力設(shè)計。 需要指出的是，梁柱節(jié)點是鋼筋混凝土構(gòu)架抗震設(shè)計的重要部位，如果在梁端和柱端發(fā)揮出所應(yīng)具有的塑性轉(zhuǎn)動能力之前，與之相連的梁柱節(jié)點為發(fā)生剪切破壞，那么將對整個結(jié)構(gòu)的抗震性能造成巨大的影響。因此，一定要保證節(jié)點在梁柱端達到所需的塑性轉(zhuǎn)動要求之前不發(fā)生剪切破壞。在大震作用下，結(jié)構(gòu)形成梁柱鉸機構(gòu)，雖有部分柱端屈服，但未破壞，此時不需要要求節(jié)點比未破壞的柱更強，兩者在大震作用下都應(yīng)以不破壞為標(biāo)準(zhǔn)。并且由于梁、柱中的各種鋼筋在節(jié)點處交匯，造成節(jié)點處鋼筋過分密集和擁擠，所謂的更強節(jié)點在施工中也不易操作。 3構(gòu)造措施 通過相應(yīng)構(gòu)造措施保證可能出現(xiàn)塑性鉸的部位具有所需的塑性轉(zhuǎn)動能力和塑性耗能能力，這些構(gòu)造措施主要包括對縱筋配筋率、對柱軸壓比以及對塑性鉸部位約束箍筋的要求。 柱端彎矩增大系數(shù)取值的大小與柱軸壓比限值和約束箍筋強弱等構(gòu)造措施之間是緊密相關(guān)的。柱彎矩增大系數(shù)越大，柱端產(chǎn)生的塑性變形越小，需要的塑性變形能力或延性水平就越低，而柱的延性水平主要取決于柱軸壓比和約束箍筋的強弱，因此對柱軸壓比限值和約束箍筋強弱的要求就可以越低，反之亦然。如果柱彎矩增大系數(shù)大到可以使結(jié)構(gòu)形成梁鉸機構(gòu)，由于這種情況下除底層柱底以外的其他各層柱端原則上不出鉸，因此就不必對這些柱端提出嚴(yán)格的軸壓比控制條件和約束箍筋要求：如果柱彎矩增大系數(shù)的取值只是使結(jié)構(gòu)形成，梁柱鉸機構(gòu)，由于各層柱端都可能出現(xiàn)一定程度的塑性變形，因此必須對這些柱端的軸壓比限值和約束箍筋提出一定嚴(yán)格程度的要求，以保證柱端具備足夠的延性。 三、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計分析 對框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中的框架部分，能力設(shè)計措施主要體現(xiàn)在:強柱弱梁。《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（下面簡稱規(guī)范）6.2.2條對一級框架及9度區(qū)的框架按梁端實際受彎承載力調(diào)整柱端彎矩設(shè)計值，其余的一、二、三級框架采用直接放大梁端彎矩設(shè)計組合值的方式來調(diào)整柱端彎矩設(shè)計值。強剪弱彎。規(guī)范6.2.4條、6.2.5條對一級框架結(jié)構(gòu)的框架梁和柱及9度區(qū)的框架梁和柱，按梁端和柱端的實際受彎承載力調(diào)整相應(yīng)的剪力設(shè)計值，其余的一、二、三級框架梁和框架柱以及抗震墻中跨高在于2.5的連梁，采用直接放大梁端剪力設(shè)計組合值的方式來調(diào)整毅力設(shè)計值。構(gòu)造措施規(guī)范6.2.9條對跨高比大于和小于2.5的連梁、柱、抗震墻和連梁的剪力組合設(shè)計值做了限制，防止發(fā)生斜壓破壞。規(guī)范率、箍筋加密以及增加混凝土極限壓應(yīng)變來確保梁柱具有所需的延性要求。6.2.15條還對框架節(jié)點核心區(qū)的抗剪驗算進行了規(guī)定，保證結(jié)構(gòu)在達到所需延性要求之前節(jié)點區(qū)不發(fā)生剪切破壞。 對剪力墻部分，能力設(shè)計措施又主要體現(xiàn)在：強墻肢弱連梁。規(guī)范6.2.7條規(guī)定，一級抗震墻的底部加強部位以及以上一層應(yīng)按墻肢底部截面組合彎矩設(shè)計值的1.2倍進行正截面設(shè)計。通過配筋的方式引導(dǎo)塑性鉸區(qū)位于墻肢底部加強部位，讓塑性轉(zhuǎn)動能力較好的連梁來耗散能量，確保結(jié)構(gòu)的整體延性要求。強剪弱彎，規(guī)范6.2.4條對跨高比大于2.5的連梁梁端的剪力設(shè)計值調(diào)整同框架梁。規(guī)范6.2.8條對剪力墻底部加強部位的剪力設(shè)計值也進行了類似的調(diào)整，目的也是使這些部位滿足強剪弱彎的要求。而對跨高比不大于2的連梁規(guī)范6.4.10條規(guī)定配置斜向交叉鋼筋作為改善連梁抗剪性能的構(gòu)造措施。構(gòu)造措施。規(guī)范6.4.5-6.4.8條分別對一、二級抗震墻的底部加強部位的軸壓比限值、抗震墻兩端和洞口兩側(cè)邊緣構(gòu)件的設(shè)置、抗震墻約束邊緣構(gòu)件的設(shè)置、抗震墻構(gòu)造邊緣件的設(shè)置等都作出了相關(guān)的規(guī)定。 此外，規(guī)范6.2.13條還規(guī)定，側(cè)向剛度沿豎向分布基本均勻的框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，任一層構(gòu)架部分的地震剪力，不應(yīng)小于結(jié)構(gòu)底部地震總剪力的20%和按框架-剪力墻結(jié)構(gòu)分析的框架部分各樓層地震剪力中最大值1.5倍二者的較小值。這主要是考慮框架-剪力墻結(jié)構(gòu)在強烈地震中，由于墻體開裂剛度退化，將引起框架和剪力墻之間塑性內(nèi)力重分布，幫需高速框架部分承擔(dān)的地震剪力，這充分體現(xiàn)了框架-剪力墻結(jié)構(gòu)多道抗震設(shè)防的原則。 以能力設(shè)計法為核心的鋼筋混凝土理論發(fā)展至今，其科學(xué)性和有效性以被充分證實，并為世界各國規(guī)范所接受。我國抗震規(guī)范雖然仍存在一些需要進一步涂探討和澄清的問題，但經(jīng)過大量的實際工程的檢驗，仍然是安全有效的。規(guī)范中不夠清晰的問題，有待于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震理論與試驗研究的進一步發(fā)展來逐步澄清。 任何關(guān)于工程的問題和建議，敬請咨詢永年公司：http://miseto.com/ 客服電話：0591-87868646 |
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