延性鋼筋混凝土結構設計淺析

1、<p>　　延性鋼筋混凝土結構設計淺析</p><p>　　摘 要：文章分別對混凝土框架結構域剪力墻結構的延性設計的要點和重要性進行了簡單的分析探討，并且將豎向和水平構件的內力計算及延性設計思路進行了列舉計算，以供參考。關鍵詞： 框架結構；延性結構； 混凝土 </p><p>　　中圖分類號：TU375文獻標識碼：A </p><p><b>　

2、　前言： </b></p><p>　　延展結構是指如果一個建筑結構在承載力基本保持不變的情形下，仍能有較大塑性變形能力。延性結構在地震作用下進入彈塑性狀態(tài)時，能吸收耗散大量地震能量，此時雖然變形較大但不會出現超出抗震要求的嚴重破壞或倒塌， 故結構都應按照延性要求進行抗震設計。 </p><p>　　具備一定經驗的結構設計師都知道，延性鋼筋混凝土結構即使在大震下結構構件達到屈服

3、，仍然可以通過屈服截面的塑性變形來耗散地震能，避免發(fā)生脆性破壞。下面分別對鋼筋混凝土框架結構和剪力墻結構的延性設計做一簡述。 </p><p>　　1.框架結構的延性設計要點 </p><p><b>　　1）強柱弱梁 </b></p><p>　　從抗彎角度講，要求柱端截面的屈服彎矩要大于梁端截面的屈服彎矩，使塑性鉸盡可能首先出現在梁的端部，

4、不會引起結構局部或整體破壞耗能的梁塑性鉸早出多出，結構仍能繼續(xù)承受外荷載而只有當柱根也出現塑性鉸時結構才達到破壞，從而形成強柱弱梁，但不允許在梁的跨中出角。底層柱柱根的塑性鉸應較晚出現，各層柱子的屈服順序應錯開，不要集中在某一層。 </p><p><b>　　2)強剪弱彎 </b></p><p>　　強剪弱彎的設計要點實質是控制梁柱構件的破壞形態(tài)， 使其發(fā)生延性較

5、好的彎曲破壞， 避免脆性的剪切破壞。適筋梁或大偏壓柱具有較好的延性，可耗散地震能量，使內力重分布得以充分發(fā)展，而鋼筋混凝土梁柱在受到較大的剪力時，往往呈現脆性破壞。故應使構件的受剪承載力大于受彎承載力，且保證構件在塑性鉸出現之后也不過早剪切破壞。下面根據國家抗震規(guī)范中與此相關的具體設計指標逐一闡述。 </p><p>　?、倭褐募艨绫?λ 限制λ=M/(Vh0)，M 為計算截面上與剪力設計值對應的彎矩設計值；h

6、0 為截面計算高度剪跨比 λ 反映了構件截面承受的彎矩與剪力的相對大小，是影響梁柱變形能力的主要因素之一。對于柱，λ≥2 的屬于長柱，只要設計構造合理，通常會發(fā)生延性的彎曲破壞；1.5≤λ<2 的屬于短柱，通常會發(fā)生延性不好的剪切破壞。當其混凝土等級較高或箍筋配置足夠強時，也可發(fā)生有一定延性的剪壓破壞；λ<1.5 的屬于極短柱， 基本沒有延性，設計應避免出現。因在一般框架結構中，柱彎矩以水平地震作用產生的彎矩為主，可以近似認

7、為反彎點在柱高的中點， 故柱端彎矩 M=VHn/2即有 λ=Hn/2h0，因此在抗震設計時應保證柱凈高與截面長邊尺寸之比大于 4；否則應在柱全高范圍內加密其箍筋。同樣在設計框架梁時，應保證其凈跨 Ln 與截面高度 hb 之比≥4。 </p><p>　?、诹褐募魤罕认拗圃O計中應使梁柱的剪壓比即， V/(fcbh0)不超過規(guī)范允許的限值， 它實質上是對構件最小截面尺寸的規(guī)定。規(guī)范對不同情況下的剪壓比規(guī)定了最大值。

8、梁柱滿足剪壓比要求，可以有效地防止斜裂縫的較早出現， 減輕混凝土破壞程度， 這是因為如構件截面尺寸過小或混凝土強度過低，按抗剪承載力公式算出的箍筋面積會很大， 則箍筋還未充分發(fā)揮作用之前，構件就會過早地出現脆性斜壓破壞。 </p><p>　　③框架柱的最大軸壓比 μN 和最小體積配箍率 ρV軸壓比 μN=N/(fCA),其中N 為包含地震作用組合的柱軸壓力設計值；fC 為混凝土軸心抗壓強度設計值；A 為柱的全截

9、面面積。 </p><p>　　試驗究表明，軸壓比大小與柱的破壞形態(tài)和變形能力密切相關。軸壓比過大時，柱會出現受拉鋼筋并不屈服的小偏心受壓破壞；而軸壓比適中時，柱可出現受拉鋼筋首先屈服的大偏心受壓破壞，受拉鋼筋可以較好地耗散地震能量。且軸壓比是影響柱的延性的重要因素之一，柱的變形能力隨軸壓比增大而急劇降低，尤其在高軸壓比下， 增加箍筋對改善柱的變形能力作用并不明顯。因此在設計中應按規(guī)范的最大軸壓比限值要求， 嚴格

10、限制不可過大，以使框架柱在地震作用下仍能實現大偏心受壓下的彎曲破壞，使柱具有足夠的延性變形能力。 </p><p>　　體積配箍率 ρV箍筋對核心混凝土具有約束作用，對柱的延性非常有利， 這已被震害實例和結構試驗所證明。一般用體積配箍率 ρV 來衡量箍筋對核心混凝土所具有約束程度： </p><p>　　ρV=AvLv/bhs,其中Av 為箍筋的截面積， Lv 為箍筋的總長度， 則 AvL

11、v 為箍筋的總體積，bh 為構件核心混凝土的截面積， s 為箍筋的間距，則 bhs 為在箍筋分布間距內的構件核心混凝土總體積。 </p><p>　　規(guī)范對框架柱的體積配箍率 ρV 最小值，根據不同的軸壓比規(guī)定了不同的數值，在設計箍筋時應嚴格遵守。同時箍筋對核心混凝土具有的約束作用，不僅與箍筋的配置量有關， 還與箍筋的配置形式密切相關。單個矩形箍筋對核心混凝土的約束作用較弱，螺旋箍筋的約束作用最好，復式箍筋對鋼筋

12、混凝土具有的約束作用大大好于單個矩形箍筋。故在設計時，應采用復式箍筋，最好為螺旋箍。隨柱軸壓比的升高，通過箍筋約束混凝土提高延性的效果會逐漸減弱，故只有在中等軸壓比的情況下，才可通過提高箍筋用量的辦法改善柱子延性。但在高層建筑的設計中， 底層柱子要承擔很大的軸向壓力， 很難把其軸壓比控制在較低水平。大量的試驗究表明，在柱中設置矩形核心柱（規(guī)范對于核心柱的截面尺寸和箍筋配置量均有相關規(guī)定），不僅可以提高柱子的受壓承載力，也可提高柱子的延性

13、變形能力，尤其對于軸壓比很大的短柱。 </p><p>　?、芰褐鶓O置箍筋加密區(qū)大量震害表明，框架梁端部和柱端部破壞嚴重，是框架梁柱的薄弱部位，故按照強剪弱彎原則箍筋應加密布置在梁柱端部的塑性鉸區(qū)，規(guī)范稱其為箍筋加密區(qū)。規(guī)范對加密區(qū)長度和箍筋間距,直徑,體積或面積配箍率有具體規(guī)定。在梁柱端部的箍筋加密區(qū)配置足夠的箍筋，可以約束核心混凝土，提高塑性鉸區(qū)混凝土的極限應變值，提高抗壓強度，防止斜裂縫的開展，這樣塑性鉸

14、能充分變形和耗能，提高延性。梁柱的最大和最小縱筋配筋率試驗表明：鋼筋混凝土單筋梁的變形能力，隨截面混凝土受壓區(qū)相對高度 x/h0 的增大而減小，而 x/h0 著配筋率的增大，鋼筋屈服強度的提高和混凝土強度等級的降低而增大，梁的延性性能就會降低。故國家《抗震規(guī)范》對框架梁的相對受壓區(qū)高度x/h0 和最大配筋率 ρmax 作出了具體規(guī)定；同時框架梁也應滿足最小配筋率要求。 </p><p>　　國家《抗震規(guī)范》 對不

15、同等級的框架柱最小配筋率 ρmin 也作出了具體規(guī)定,設計時應嚴格滿足要求。這是為了避免地震作用下框架柱過早進入屈服階段，增大屈服時柱的變形能力，提高柱的延性和耗能能力。 </p><p>　　3)強節(jié)點及強錨固 </p><p>　　因為梁柱節(jié)點區(qū)的受力情況非常復雜，故在設計時必須保證各節(jié)點不出現脆性剪切破壞，才可使梁柱承載力和變形能力得以發(fā)揮，即在梁柱塑性鉸出現完成之前，節(jié)點區(qū)必須不能

16、過早破壞。同時還要具有良好的延性，則其鋼筋的錨固須足夠強，不可失效，設計中應按規(guī)范的構造要求執(zhí)行。 </p><p>　　2.剪力墻結構的延性設計要點 </p><p>　　剪力墻結構的延性設計要點與框架類似又不同，因為剪力墻的抗側和抗扭剛度大，承載能力大，小震下變形小，但也應使其具有良好的延性和耗能能力?，F簡述如下： </p><p>　　1）強墻肢，弱連梁 &l

17、t;/p><p>　　除小開口墻和弱連梁連接的獨立墻肢外，剪力墻大多為聯肢墻;聯肢墻的延性設計可通過 “強墻肢弱連梁” 來實現，使連梁先于墻肢屈服（可能是剪切或彎曲破壞），使變形和耗能分散于連梁中，墻肢之后屈服，并通過構造措施使墻肢具有良好延性和耗能能力?？拐鹨?guī)范通過彈性計算時把連梁剛度折減，從而減小連梁的內力來實現“強墻弱梁” 。 </p><p><b>　　2) 強剪弱彎 &l

18、t;/b></p><p>　　抗震規(guī)范采用剪力增大系數來調整墻肢底部加強部位截面的剪力設計值和連梁端截面的組合剪力設計值，來實現墻肢和連梁的強剪弱彎。 </p><p>　　3）墻肢和連梁的剪壓比限制 </p><p>　　為避免墻肢或連梁發(fā)生脆性的斜壓破壞，抗震規(guī)范對二者截面的平均剪應力和混凝土抗壓強度的比值加以限制，即設計時應限制墻肢和連梁的剪壓比。 &

19、lt;/p><p>　　4）墻肢的軸壓比限制 </p><p>　　墻肢的軸壓比是影響其延性的主要因素之一，為使墻肢具有一定的延性，應限制墻肢截面的相對受壓區(qū)高度，該點可轉換為限制墻肢的軸壓比，故規(guī)范對不同抗震等級的墻肢的軸壓比最大值做了詳細規(guī)定。 </p><p><b>　　參考文獻： </b></p><p>　　建筑