民用建筑框架结构抗震设计

【中图分类号】TU【文献标识码】A

【文章编号】1007-4309（2012）01-0119-1.5

由于框架结构具有空间大、布局灵活的特点,现在己经被广地应用在生活的各个角落.而框架结构的震害主要是由于强度和延性不足引起的,其震害的一般规律是：柱的震害重于梁,角柱的震害重于一般柱,柱上端的震害重于下端.

在框架结构中,柱作为竖向承重构件,承载着整个结构的全部竖向荷载和由水平力引起的附加荷载,一旦破坏就会危及整栋房屋的安全.由于柱的受力情况复杂并且柱本身的延性较差,因此如果没有认真地考虑抗震设计,框架柱就容易发生比较严重的震害.

地震中柱的破坏机理.剪切破坏.在往复的水平地震力作用下,柱会出现斜裂缝或交叉裂缝,裂缝宽度较大,属于脆性破坏,并且难以修复.一方面,柱子抗剪强度不足会造成柱身的剪切破坏；另一方面,在现代建筑设计中,框架常有错层及不到顶的填充墙,这样使柱子的变形受到约束,导致柱的计算长度变小,从而剪跨比变小,也会导致剪切破坏.

压弯破坏.柱子在轴力和弯矩作用下,混凝土压碎剥落,主筋压曲成笼状,造成压弯破坏.柱子轴压比过大,主筋配置不足,箍筋过稀等等都会导致柱的压弯破坏.压弯破坏大多出现在梁底与柱顶的交接处.同剪切破坏一样,压弯破坏也是属于脆性破坏,难以修复.值得注意的是,箍筋在施工时由于端部接日处弯曲角度不足,这样箍筋的端部接口仅仅锚固在混凝土的保护层中,在地震的反复作用下,混凝土保护层剥落,箍筋散开失效,使柱混凝土和纵向钢筋失去约束,从而导致柱子破坏.

弯曲破坏.由于柱子的纵向钢筋配置不足,在弯矩的作用下,柱子将会出现弯曲破坏,产生周圈水平裂缝,裂缝的宽度一般比较小,较易修复.

柱的抗震设计要点.控制最小截面尺寸和截面高宽比以及梁柱的偏心距.柱截面尺寸过小会使框架侧移刚度不足,截面高宽比过大将导致框架结构两个方向侧移刚度相差较大,而且不利于柱的短边方向的稳定.此外,框架柱中线与框架梁中线之间的偏心距过大,在地震作用下将导致梁柱节点核心区受剪面积不足,并对柱带来不利的扭转效应,也会给柱造成应力集中的不利影响.控制轴压比.在现代工程设计中,整体框架计算采用了计算机程序辅助设计,首次输入结构平面时,按经验估算柱截面,导荷后经计算机运算,便可得到各个柱在地震作用组合下的内力情况,这时再根据各柱轴力,以及规范中对柱轴压比的规定.通过手工计算,确定各柱在各层所需要的截面,然后上机调整结构平面中的各层柱截面,就能得到一个比较准确的结果.轴压比是影响柱的承载力和延性的另一个重要参数.大量试验表明,随着轴压比的增大,柱的极限抗弯承载力提高.但极限变性能力、耗散地震能量的能力都降低.轴压比对短柱的影响更大：在长柱中,轴压比越大,混凝土受压区高度越大,压弯构件会从大偏压破坏向小偏压破坏过渡,小偏压破坏的延性很小或者没有延性；在短柱中,轴压比增大也会改变柱的破坏形态,会从剪压破坏变成脆性的剪拉破坏,破坏时承载能力突然丧失.轴压比愈大,塑性变形段愈短,承载能力下降愈快,即延性减小.框架柱的抗震设计一般应在大偏心受压破坏范围,以保证有一定的延性.

控制剪跨比.剪跨比是判别抗侧力构件抗震性能的重要指标,也是影响钢筋混凝土柱破坏形态的最重要因素.考虑到框架柱中的反弯点大都接近中点,为设计方便,经常用柱的长细比近似表示剪跨比的影响.在高层建筑结构中,柱的剪力比较大,因此在高层建筑结构计算中,无论是抗震结构,还是非抗震结构,都应作抗剪承载力验算.新抗震规范中规定框架柱的净高与截面高度比宜大于4所以抗震结构在确定方案和结构布置时,就应尽量避免短柱,特别是在同一层中同时存在长柱和短柱的情况.

框架结构抗震设计的一般原则.强柱弱梁,强柱弱梁是为了实现在罕遇地震作用下,使框架结构塑性铰出现在梁端的设计要求.用以提高结构的变形能力,防止在强烈地震作用下倒塌.由于地震作用的复杂性以及构件之间的相互影响,难以通过精确的计算实现强柱弱梁.规范要求,采用增大柱端弯矩设计值,即提高柱端的弯矩增大系数的方法来实现强柱弱梁.人为增大柱子相对于梁的抗弯能力,诱导在梁端出现塑性铰,从而达到强柱弱梁的要求.实现强柱弱梁不仅在于内力调整,更在于按调整后的设计内力来配筋,使构件的实际承载力与设计内力相近.当建筑许可时,尽可能将柱的截面尺寸做得大些,使柱的线刚度与梁的线刚度的比值尽可能大于1,并控制柱的轴压比满足规范要求,以增加延性.梁端纵向受拉钢筋的配筋不得过高,以免在罕遇地震中进入屈服阶段不能形成塑性铰或塑性铰转移到立柱上.注意不可随意超配筋,超配筋要整体保持一定比例.注意节点构造,让塑性铰向梁跨内移.

总之,使梁端的塑性铰先出,减少或推迟柱端塑性铰的出现,避免在同一层各柱的两端都出现塑性铰,是实施“强柱弱梁”的目的,相对梁端配筋适当增加柱的配筋可以达到上述目的.

强剪弱弯,使钢筋混凝土构件中与正截面受弯承载能力对应的剪力低于该构件斜截面受剪承载能力的设计要求,用以改善构件自身的抗震性能.强剪弱弯是保证构件延性,防止脆性破坏的重要原则,它要求人为加大各承重构件相对于其抗弯能力的抗剪承载力,使这些部位在结构经历罕遇地震的过程中以足够的保证率不出现脆性剪切失效.对于框架结构中的框架梁应注意抗剪验算和构造,使其满足相关规范要求.应合理选择梁柱截面尺寸、配置纵向钢筋和箍筋避免剪切破坏先于弯曲破坏、混凝土的压溃先于钢筋的屈服、钢筋锚固粘结先于构件破坏适当增加抵抗剪切力的钢筋可以有效防止梁、柱在弯曲屈服之前出现剪切破坏.

强节点弱构件,这是为了提高结构整体性.各构件之间的连接必须可靠,符合下列要求：构件节点（的承载力不应低于其连接构件的承载力当构件屈服、刚度退化时,节点应保持承载力和刚度不变.预埋件的锚固承载力不应低于连接件的承载力,装配式的连接应保证结构的整体性,各抗侧力构件必须有可靠的措施以确保空间协同工作.

强节点弱构件是通过增大节点核心区的组合剪力设计值进行计算.一、二级抗震等级的框架进行节点核心区抗震受剪承载力计算；三、四级抗震等级的框架节点核心区可不进行计算,但应符合抗震构造措施的要求.要求剪力设计值不大于框架梁柱节点的抗震受剪承载力.框架梁和框架柱的纵向钢筋在节点区的锚固和搭接应符合规范要求.

我们可以通过对钢筋混凝土框架柱在地震中的破坏形态的分析,建筑抗震设计规范中对柱的各种要求.设计人员应该严格遵循规范,针对各种可能出现的破坏采取相应的构造措施,合理布置结构平面,控制好梁柱构件截面,使框架具有一定的延性,尽量避免让柱出现剪切破坏,提高建筑物在地震中的防御能力,从而最大限度地减少地震给建筑造成的损失.

【作者简介】张君兰（1983-）：女,沈阳新大陆建筑设计有限公司,助理工程师.王宏斌：男,助工,沈阳市新大陆建筑设计有限公司.