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鋼筋混凝土結構的基本抗震思想

  
評論: 更新日期:2010年01月14日
設計所用的反應譜。并且中國規(guī)范按設防烈度從大到小對結構延性提出了從高到低的要求,具體是用抗震等級來表示,共分為一級、二級、三級、四級四個等級。

  初步印象是:中國的地震力降低系數的取值偏低。這似乎說明中國的地震力取值較高,因而并不需要對結構提出高延性要求。其實不然,在對比了中國和西方國家的設防地震作用反應譜曲線之后,我們發(fā)現,在中長周期范圍內,西方要比中國高,也就是說,中國在較低的反應譜水平下降低3 倍,跟西方在較高的反應譜水平下降低5 倍,甚至更多之后的作用水平是相差不多的,這就說明,中國對抗震結構應提出相當于西方地震力降低系數等于5 ,甚至高一檔次的高延性要求。

  3  “能力設計法”已為各國普遍接受

  通過能力設計法以選擇性質不同的主要抗側力構件,在地震作用影響產生大變形的情況下,能夠形成較好的耗能機制。

  為了使鋼筋混凝土結構在地震引起的動力反應過程中表現出必要的延性,就必須通過能力設計法,使塑性變形更多地集中在比較容易保證良好延性性能或者具有一定延性能力的構件上。能力設計法的具體思路有三步:

  (1) 第一步是選擇一個可接受的塑性變形機構。所選機構的位移延性應該靠塑性鉸處最小非線性轉動來達到。一旦選定了合適的塑性變形機構,就可以精確地確定能量耗散部位。能力設計法在選擇塑性變形機構的選擇上存在兩種不同的方案:

  一種是“梁鉸機構”。其具體措施是人為地較大幅度增加柱端的抗彎能力,使除底層柱底以外的各柱端在較強地震作用下,原則上不進入屈服后狀態(tài),即不出現塑性鉸。由于柱端原則上不進入屈服,曲率較小,因此對除底層柱底的其它各層柱端不必提出嚴格的軸壓比控制條件,即不必一定要把柱端的受力狀態(tài)控制在離大、小偏心受壓界限狀態(tài)尚有一定距離的延性較好的大偏心受壓狀態(tài)。這種機構主要靠梁端出鉸來耗散地震能量。

  另一種是“梁柱鉸機構”。其具體措施是只在一定程度上人為增大柱的抗彎能力,因此,從總體上說,柱端雖然與梁端相比相對較強,但在較強和很強地震作用下,柱端仍有可能進入屈服,只不過梁端出現塑性鉸的機會較多、較早,塑性轉動較大;柱端塑性鉸則出現相對較遲,塑性轉動相對較小。只要對柱的軸壓比控制較嚴,使柱端不出現小偏心受壓和離大、小偏壓分界狀態(tài)過近的大偏心受壓情況,再通過加強對柱端塑性鉸區(qū)的約束,就可以使柱端具有所需的、不十分苛刻的塑性轉動能力(延性能力) 且不致壓潰。這種機構主要靠梁柱共同出鉸來耗散地震能量。

  對比以上兩種方案,前者實際上是提高了柱的強度,加強了柱的彈性變形能力。在實際配筋當中,縱筋用量相對較多,箍筋用量相對較少。后者實際上是提高了柱的塑性變形能力,在實際配筋當中,縱筋用量相對較少,箍筋用量相對較多。

  中國規(guī)范選擇了第二個方案,即“梁柱鉸機構”。這即是我們通常所說的“強柱弱梁”。為了實現能力設計方法中的強柱弱梁機構,我們通常的做法是對柱截面的組合彎矩乘以增大系數;也可以對由梁端實際配筋反算出梁端可抵抗彎矩,即實配彎矩乘以增大系數的方法來實現,并用增大后的彎矩值進行柱端控制截面的承載力設計。

 ?。?) 第二步是要通過人為增大各類構件的抗剪能力,使其不致在強烈地震作用下,在結構延性未發(fā)揮出來之前出現非延性的剪切破壞。這即是我們通常所說的強剪弱彎。通常的做法是用剪力增大系數增大梁端、柱端、剪力墻端、剪力墻洞口連梁端以及梁柱節(jié)點處的組合剪力值,并用增大后的剪力設計值進行受剪控制截面控制條件,進行驗算和設計。具體措施也有兩類。

  一類是直接對一跨梁兩端截面的順時針或反時針方向的組合彎矩值乘以增大系數,再與梁上作用的豎向重力荷載代表值一起從平衡關系中求得梁端剪力。

  另一類是沿順時針或反時針方向求得一跨梁兩端截面按實際配筋能夠抵抗的彎矩,對其乘以增大系數,再與梁上作用的豎向重力荷載代表值一起從平衡關系中求得梁端剪力。

 ?。?) 第三步是通過相應的構造措施,保證可能出現塑性鉸的部位具有所需的塑性轉動能力和塑性耗能能力。通常通過箍筋加密,限制軸壓比等措施來給予保證。

  上述三個步驟所采取的措施是相互關聯的。第二步措施是第一步措施實現的前提和保障;因為只有塑性鉸區(qū)不致先期發(fā)生剪切失效,才能夠有梁柱塑性鉸區(qū)的塑性轉動。第一步措施要求較嚴,則第三步則可相對較弱。反之,第一步的措施較松,則對第三步的要求就較嚴格。因為如果柱彎矩增強系數很大,大到能保證除底層以外的其它柱端都不出現塑性鉸,則并不需要對軸壓比和約束箍筋提出嚴格的限制,即并不需要使柱處于延性較好的大偏壓狀態(tài)和使柱具有很強的轉動能力。這即是形成梁鉸機構。而如果控制柱的彎矩增強系數,使梁端出鉸較柱端出鉸較早、較多、轉動較大,柱端出鉸則相對較遲、較少、轉動較小。這即是“梁柱鉸機構”。此時,就需要對柱軸壓比提出一定的限制,使柱端的受力狀態(tài)處于大偏壓,同時,加強對塑性鉸區(qū)箍筋的約束,以提高塑性鉸的轉動能力,這樣就提高了柱端的延性能力,使之在所需要的塑性轉動下不至于被壓壞。所以,柱的彎矩增大系數越大,對軸壓比的限制和箍筋的約束要求就越低;彎矩增大系數越小,對軸壓比的限制和箍筋的約束要求就越高。

  4  幾種基本抗震體系的性能

  (1) 框架結構體系:按上述的能力設計思路,通過合理設計,可以把框架結構做成延性框架。延性框架在大震作用下,通過先出現梁鉸、后出現柱鉸這樣一種耗能機構耗散大量的地震能量,結構能夠承受一定的側向變形。所以純框架結構是一種抗震性能很好的結構。但是我們同時也看到由于純框架的抗側剛度較小,造成的側移值比較大,因此建造高度不宜太高。非結構構件比如填充墻在地震作用下,也可能出現裂縫和破壞。框架和填充墻之間的硬性聯結造成的剛度增大效應也可能造成設計上未考慮到的增大的側向力。倘若是半高的填充墻,還會導致形成短柱,剛度增大,承受很大的剪力,造成柱子的剪切破壞。

 ?。?) 剪力墻結構體系:剪力墻結構的承載力及剛度都很大,側移變形小,因此它的使用范圍可以比純框架結構更高。適用于框架結構構件的非線形抗

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