王海江      農十三師勘察設計院

唐曉青     西安建筑科技大學建筑設計研究院

 

    我們在地震區進行結構設計時，為達到“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震設防要求，通過計算，往往使結構要具備足夠大的承載能力，足夠大的剛度以及應具備足夠大的延性和耗能能力。

 

    承載能力是最重要的，它是結構可靠度的保證。同樣，結構必須具有足夠大的側移剛度和扭轉剛度。在同一地震作用下，剛度小的結構破壞程度大，變形小的結構破壞程度小。結構、構件的剛度與承載能力是相關的，一般來說，剛度大承載能力也大，剛度小承載能力也小。我們在設計計算中很重視上述兩項，但對結構應具備足夠大的延性和耗能能力并沒有引起重視。經濟、合理的按能力設計法設計的抗震結構應當是：在大震作用下，部分結構構件破壞，通過延性耗散地震能量，避免結構倒塌。

 

    延性包括材料、截面、構件和結構的延性。延性是指屈服后，強度和承載能力沒有顯著降低時的塑性變形能力。延性大，說明塑性變形能力大，強度或承載力的降低緩慢，從而有足夠大的能力吸收和耗散地震能量，避免結構倒塌；延性小，說明達到最大承載能力后承載力迅速降低，變形能力小，呈現脆性破壞，引起結構倒塌。

 

    結構延性可以來自材料延性、截面曲率延性、構件位移延性和結構位移延性。一般來說，對截面延性的要求高于對構件延性的要求，對構件延性的要求高于對結構延性的要求。我國規范沒有對結構、構件的延性系數和耗能能力做定量的規定，只規定了罕遇地震作用下各結構體系的彈塑性層問位移角限值。例如，鋼筋混凝土框架結構的屈服層間位移角為1／200左右，規范規定其彈塑性層間位移角限值為1／50。

 

    鋼筋混凝土結構都應該設計成延性結構。“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設計原則，也就是要做到在設防烈度地震作用下，允許部分構件出現塑性鉸，這種狀態是“中震可修”狀態；合理控制塑性鉸部位、構件又具備足夠的延性，可做到在大震作用下結構不倒塌的狀態。

 

    延性結構的塑性變形可以耗散地震能量，雖然結構變形會加大，但內力不會很大，對構件的承載能力要求不會很高。也就是說，延性結構是用它的變形能力，而不是承載力抵抗強烈的地震作用。因此，對于地震發生概率極少的抗震結構，延性結構是一種經濟合理和安全的設計方向。

 

    設計規范上對延性結構的要求融人了各章節，并通過計算和構造給結構設計了多道防線。這方面的闡述已較明朗，實際工作中也得到充分采納。然而，我們在實際設計工作中，建筑體形、結構布置確定后，要反映延性框架和延性剪力墻的抗震概念，可以通過哪些實用有效又經濟的方式，這里具體介紹一下。

 

    梁是鋼筋混凝土框架的主要延性耗能構件。影響梁的延性和耗能的主要因素有：破壞形態，截面混凝土相對壓區高度等。我們設計時，首先要實現彎曲破壞，避免剪切破壞，限制最大剪力設計值。剪壓比限值也是確定梁最小截面尺寸的條件之一。

    在滿足截面高度工在滿足截面要求的基礎上，設計時應限制受拉鋼筋，不出現可能引起脆性破壞的少筋梁和超筋梁；同時，配置受壓鋼筋，以增大其延性。對梁端，在地震往復作用下，不僅有豎向裂縫，還有斜裂縫。為使塑性鉸區具有良好的塑性轉動能力，同時為了防止混凝土壓潰前受壓鋼筋過早壓屈，在梁的兩端必須設置箍筋加密區。另外設計中可以采取措施使塑性鉸外移，將塑性鉸從柱面移開一定距離，避免梁端鋼筋屈服后向核心區發展，引起粘結破壞。具體措施可采用如圖l所示增加梁端的縱向鋼筋，或如圖2所示增加梁端高度，提高梁端受彎承載力。一般將屈服的位置移至圖1，圖2中的控制截面，控制截面與柱面之間的距離不小于500 mm和梁高，塑性鉸的起始截面距控制截面250 mm或1／2梁高，塑性鉸長度為2倍梁高，該范圍內箍筋加密。

 

    柱是框架的豎向結構，地震時柱破壞和喪失承載力比梁破壞和喪失承載力更容易引起框架倒塌。影響柱的延性和耗能的主要因素有：剪跨比，軸壓比，縱筋配筋率和塑性鉸區箍筋的配置。現行規范對這幾方面已作了詳細的要求，這里不再贅述。我們只需遵循以下基本設計概念，即采用大剪跨比柱，避免小剪跨比柱，限制軸壓比，提高縱筋配筋率，保證約束塑性鉸區混凝土的箍筋等。

    其中，當由于為保證限制軸壓比而采用了較大截面柱時，勢必造成較小的柱剪跨比，這是不利的。我們常采用如圖3所示的分體柱措施來避免形成短柱或極短柱。分體柱是用隔板將柱分為等截面的單元柱，一般為4個單元柱，截面的內力設計值由各單元柱均擔，按現行規范對單元柱承載力驗算，在柱的上下端留有整截面過渡區，過渡區內配置復合箍。分體柱各單元的剪跨比是整體柱的兩倍，可以避免短柱。當然，也可利用高強混凝土與鋼組合成為延性組合柱，如鋼管混凝土柱，鋼管混凝土疊合柱及鋼骨混凝土柱。這些，在建筑材料發展的今天，也是經常采用的。

 

    剪力墻由墻肢和連梁兩種構件組成，從截面的形狀到構件的受力性能，墻肢與柱、連梁與框架梁有很大的差別。

 

    剪力墻的受力性能比框架復雜，抗震設計在一些方面與框架有較大的區別。強墻肢弱連梁，強剪弱彎及限制剪壓比，限制墻肢軸壓比這些與框架概念是等同的。但剪力墻延性設計又有其自身的特點。首先，不同于框架柱是偏壓構件，墻肢本身又是受彎構件，控制墻肢不出現脆性的剪切破壞就是首要的。設計時一般通過控制剪跨比來解決。杜絕出現剪跨比小于1的矮墻，實現延性的彎曲破壞，增強耗能能力。

 

    另外，通過設置底部加強區，設置約束邊緣構件，可以增大截面的塑性變形能力。約束邊緣構件的構造要求，主要包括沿墻肢截面的長度和墻肢的高度，箍筋數量，水平分布筋在約束邊緣構件內的錨固以及確保一定的縱筋面積來保證。這在現行規范中都有明確要求。

 

    延性連梁的設計，我們計算時一般通過降低連梁的剛度和彎矩設計值來實現。同時，在做法上就有多種方式。一種是設計成開縫連梁，即對于跨高比小的連梁，在連梁腹板上沿跨度方向預留一條或兩條縫或槽，將連梁沿梁高方向分成幾根跨高比較大的梁，在大震作用下發生較好的彎曲破壞。另外，在連梁內交叉配筋來抵抗地震作用下不斷改變方向的剪力，是比較常用的方法。交叉配筋連梁的延性和耗能能力明顯優于普通水平配筋連梁，只是制作費工，鋼筋密集，難以施工。此外，采用鋼板混凝土連梁，發揮鋼板良好的塑性變形能力，同時減少了箍筋用量，給施工帶來便利。

 

    延性框架和延性剪力墻的抗震主要包括三方面：

    1)通過調整構件之間承載力的相對大小，實現合理的屈服機制，即“強柱弱梁”“強墻肢弱連梁”“強核芯區弱構件”；

    2)通過調整構件斜截面承載力和正截面承載力之間的相對大小，實現構件延性破壞形態，即“強剪弱彎”；

    3)通過采取抗震構造措施，使構件自身具有大的延性和耗能能力。

 

[1] GB 50010—2002，混凝土結構設計規范[S]．

[2] GB 50011—2008，建筑抗震設計規范[S]．

[3] 中國有色工程設計研究總院，混凝土結構構造手冊[S]．

[4] 張志強．延性與抗震設計[J]．山西建筑，2008，34(12)：93—94．

[5] 方鄂華．高層建筑鋼筋混凝土結構概念設計[M]．北京：機械工業出版社，2004：8．

 

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：文徑 尹維維 編輯  劉真 審核)