房屋建筑框架结构抗震设计要点

房屋建筑框架结构抗震设计要点

刘敏

刘敏

核工业志诚建设工程总公司335000

摘要：钢筋混凝土框架结构具有良好抗震性能，结构抗震的本质就是延性，提高延性可增加结构抗震潜力，增强结构抗倒塌能力。结构主要靠延性来抵抗较大地震作用下非弹性变形。本文分析了结构延性在抗震设计中的重要性及其作用，影响结构延性的主要因素以及结构延性的抗震设计。

关键词：房屋建筑；框架结构；抗震设计

前言

地震是一种能对人类的生产和生活带来极大破坏的自然灾害，为了预防地震灾害，减轻地震损失，我国加强了地震预报、工程抗震和地震控制方面研究工作，其中工程抗震是一项有效的措施，其目的是寻求最合理的抗震设计，保证建筑物的安全。工程中结构抗震的设计是依据抗震设防烈度通过地震作用的取值和抗震措施的采取来实现结构抗震设防目标。

一、框架结构延性的作用

对于受弯构件来说，随着荷载增加，首先受拉区混凝土出现裂缝，表现出非弹性变形。然后受拉钢筋屈服，受压区高度减小，受压区混凝土压碎，构件最终破坏。从受拉钢筋屈服到压区混凝土压碎，是构件的破坏过程。在这过程中，构件的承载能力没有多大变化，但其变形的大小却决定了破坏的性质。当结构设计成为延性结构时，由于塑性变形可以耗散地震能量，结构变形虽然会加大，但结构承受的地震作用不会很快上升，内力也不会再加大，因此具有延性的结构可降低对结构的承载力要求，也可以说，延性结构是用它的变形能力来抵抗罕遇地震作用；反之，如果结构的延性不好，则必须有足够大的承载力来抵抗地震作用。结构或构件的延性具有以下作用：

1、防止脆性破坏

脆性破坏是突然的、无明显征兆的破坏，因此破坏的后果较严重。工程设计中应避免脆性破坏，应按塑性破坏的原则进行设计，使结构或构件具有一定的延性，保证结构或构件在破坏之前有足够的变形能力，防止突然的脆性破坏发生。

2、对脆性构件起稳定作用

在实际建筑结构中，延性构件与非延性构件（脆性构件）往往是并存的。例如框架结构的长柱与短柱。实验研究说明，在保证延性构件与非延性构件一定比例的条件下，延性构件对脆性构件起稳定作用，使结构有较好的变形能力而不致失效。

3、实现内力重分布

延性构件在强震作用下，随着裂缝的形成和开展，某些临界截面有一定的转动能力，形成塑性铰，改变了原有的超静定状态，结构中的内力分布不再服从弹性状态，产生塑性内力重分布，从而使结构更符合实际内力分布。在保证极限承载力不变的条件下，利用塑性内力重分布规律，调整设计弯矩，减少梁支座配筋的密集程度，便于施工。

4、提高框架结构抗震性能

在我国，抗震设计的原则是：小震不坏，基本地震可修，大震不倒。地震作用时，延性结构通过塑性铰区域的变形，能够有效地吸收和耗散地震能量，同时，这种变形降低了结构的刚度，使结构在地震作用下的反应减小，即减小了地震力。因此，结构的延性措施增加了结构在大震下的变形能力，提高结构的抗震性能。

二、框架结构的延性抗震设计

位于抗震区的建筑必须考虑其延性，进行延性抗震设计，用以抵抗地震作用。因为钢筋混凝土材料具有双重性，如果设计合理，尽量消除或减少混凝土脆性性质的危害，充分发挥钢筋塑性性能，可以实现延性结构。根据震害以及近年来国内外试验研究资料，延性框架设计时大致上应符合以下原则。

1、“强柱弱梁”的设计原则

在框架结构中，塑性铰出现的位置或顺序不同，将使框架结构产生不同的破坏形式。柱中出现塑性铰，不易修复而且容易引起结构倒塌；而塑性铰出现在梁端，却可以使结构在破坏前有较大的变形，吸收和耗散较多的地震能量，因而具有较好的抗震性能。震害调查发现，凡是具有现浇楼板的框架，由于现浇楼板大大加强了梁的强度和刚度，地震破坏都发生在柱中，破坏较严重；反之裂缝出在梁中，破坏较轻，从而也证实强梁弱柱引起的结构震害比较严重。此外，梁的延性远大于柱的延性。这是因为柱是压弯构件，较大的轴压比将使柱的延性下降，而梁是受弯构件，比较容易实现高延性比要求。因此，较合理的框架破坏机制应是梁比柱的塑性屈服尽可能早发生和多发生，底层柱柱根的塑性铰较晚形成，各层柱子的屈服顺序应错开，不要集中在某一层。这种破坏机制的框架，就是强柱弱梁型框架。

2、“强剪弱弯”的设计原则

要使结构具有延性，就必须保证框架梁柱有足够的延性，而梁柱的延性是以其截面塑性铰的转动能力来度量的。因此框架结构抗震设计的关键是梁柱塑性铰设计。为此，应遵循：“强剪弱弯”设计原则。适筋梁或大偏压柱，在截面破坏时可以达到较好的延性，可以吸收和耗散地震能量，使内力重分布得以充分发展，而钢筋混凝土梁柱在受到较大剪力时，往往呈现脆性破坏。所以在进行框架梁、柱设计时，应使构件的受剪承载力大于其受弯承载力，使构件发生延性较好的弯曲破坏，避免发生延性较差的剪切破坏，而且保证构件在塑性铰出现之后也不过早剪坏，这就是“强剪弱弯”的设计原则，它实际上是控制构件的破坏形态。

（1）梁、柱剪跨比限制。剪跨比反映了构件截面承受的弯矩与剪力的相对大小。它是影响梁、柱极限变形能力的主要因素之一，对构件的破坏形态有很重要的影响。因此柱的剪跨比宜控制在1.5以上。

（2）梁、柱剪压比限制。当构件的截面尺寸太小或混凝土强度太低时，按抗剪承载力公式计算的箍筋数量会很多，则箍筋在充分发挥作用之前，构件将过早呈现脆性斜压破坏，这时再增加箍筋用量已没有意义。因此，设计中应限制剪压比即粱截面的平均剪应力，使箍筋数量不至于太多。同时，也可有效地防止斜裂缝过早出现，减轻混凝土碎裂程度。这实质上也是对构件最小截面尺寸的要求。

（3）柱轴压比限制。试验研究表明，轴压比的大小，与柱的破坏形态和变形能力是密切相关的。随着轴压比不同，柱将产生两种破坏形态：受拉钢筋首先屈服的大偏心受压破坏和破坏时受拉钢筋并不屈服的小偏心受压破坏。而且，轴压比是影响柱的延性的重要因素之一，柱的变形能力随轴压比增大而急剧降低，尤其在高轴压比下，增加箍筋对改善柱变形能力的作用并不明显。所以，抗震设计中应限制柱的轴压比不能太大，其实质就是希望框架柱在地震作用下，仍能实现大偏心受压下的弯曲破坏，使柱具有延性性质。

（4）钢筋设置。试验表明：钢筋混凝土单筋梁的变形能力，随截面混凝土受压区相对高度的减小而增大，而混凝土受压区相对高度随着配筋率的增大、钢筋屈服强度的提高和混凝土强度等级的降低而增大，延性性能降低。同时，框架梁还应满足最小配筋率的要求。另外，震害表明，梁端、柱端震害严重，是框架梁、柱的薄弱部位。所以按照强剪弱弯原则设计的箍筋主要配置在梁端、柱端塑性铰区，称为箍筋加密区。在塑性铰区配置足够的箍筋，可约束核心混凝土，显著提高塑性铰区混凝土的极限应变值，提高抗压强度，防止斜裂缝的开展，从而可充分发挥塑性铰的变形和耗能能力，提高梁、柱的延性。

3、“强节点弱构件”的设计原则

由于节点区的受力状况非常复杂，所以在结构设计时只有保证各节点不出现脆性剪切破坏，才能使梁、柱充分发挥其承载能力和变形能力。即在梁、柱塑性铰顺序出现完成之前，节点区不能过早破坏。

结束语

总之，延性决定了在地震作用时结构的抗震性能，因此在工程设计中应予以高度重视，通过“强柱弱梁，强剪弱弯，强节点弱构件”的设计原则来提高框架结构延性，提高结构的抗震能力。

参考文献

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