多层与高层钢筋混凝土房屋的延性探讨.pdf
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1、多层与高层钢筋混凝土房屋的延性探讨 吴 华 ( 安徽省建筑科学研究设计院, 安徽 合肥 2 3 0 0 0 1 ) 0 前言 地震是地壳运动的一种自然现象。 我国是个多地震活动的 国家,地震基本烈度 6度 区以上 的面积约 占全国总面积 的 6 0 , 地震活动具有分布广、 强度大、 频率高、 震源浅、 灾害重的 特点。大地震造成的严重人员伤亡和巨大经济损失, 往往令世 人震惊 。 每次大地震后的调查往往都会发现 。 在同等烈度下和同样 场地条件下 , 有的建筑破坏严重 , 有的建筑破坏较轻, 有的建筑 则安然无损。尽管原因可能有多种, 但都无一例外的与建筑物 结构的延性有着密切的关系。不少的
2、实例已经证明, 正确的设 计 、 正确的施工、 正确的选材、 正确的使用是可以做到建筑结构 在大震作用下具有良好的延性 、 可靠的抗震性。 1 建筑 结构的延性 我国现阶段的抗震设防思想是 “ 三水准设防目标 , 两阶段 设计步骤” , 要求做到“ 小震不坏、 中震可修 、 大震不倒” 。 在小震 作用下 , 要求建筑结构能满足承载力极限状态验算要求及建筑 物的弹性变形不超过规定的弹性变形限值。在中震作用下, 结 构已发生屈服 , 并进入弹塑性变形阶段 , 现行规范没有对中震 时的结构变形限值作出规定 , 而是通过构造要求 , 使结构具有 相当的延性能力 , 保证结构体系的损坏程度控制在可修复
3、的范 围。 在大震作用下 , 结构进入弹塑性大位移状态, 结构产生较显 著的破坏, 为防止建筑物的倒塌 , 应对结构塑性变形集 中发展 的楼层( 薄弱层) 的变形加以控制, 使其弹塑性变形不超过规定 的弹塑性变形限值, 要求结构具有足够的延性能力。 地震有很强的随机性, 有很多不确定因素, 地震传给建筑 物的总能量随着震级的大小而不同。 由地震传给建筑物的总能 量有结构体系的弹性应变能 、 动能、 阻尼耗能、 塑性变形能( 滞 回耗能) , 阻尼耗能很小, 仅占总能量的 5 , 可忽略不计。塑性 变形能是一个很重要的主要部分 , 它是由结构产生较大的塑性 变形而消耗掉的能量。 在大地震传给建筑
4、物总能量不变的情况 下 , 塑性变形能消耗的越多, 储存在建筑结构中的弹性应变能 和动能也就越小, 所以在设计中要在某些部位人为地制造若干 薄弱环节, 以比较容易地产生一些塑性铰, 衰减结构的振动, 以 耗散大量的地震能量, 减小地震作用。这样也就增加了结构的 整体延性。 建筑抗震是通过结构的耗能来实现的, 是通过采取有效措 施保证整体结构和构件有较高的延性来实现的, 否则在大震作 用下, 就有可能造成严重破坏。 对地震区的建筑, 特别是高层建 筑, 提高结构的延性无疑是增强结构抗倒塌能力, 并使抗震设 计做到经济合理的重要途径之一。 在抗震设计中, 延性是个很重要的概念。延性实质上是材 料、
5、 截面、 构件、 结构在保持一定的强度时的非弹性变形能力 , 即结构屈服后的变形能力。延性的大小用延性系数( 极限值与 屈服值的比) 来度量。保证构件的有效延性的构造措施主要来 自震害经验和试验研究。在实际工作中, 延性要求是以变形指 标来表达的, 是采取一系列构造措施实现的, 从保证延性的重 要性而言, 抗震结构的构造措施比计算更重要。对于不同的结 构其延性系数是不一样的, 其大小排列为: 钢结构 、 钢管混凝 土结构 、 型钢混凝土结构 、 钢筋混凝土结构、 配筋砌体结构、 砌 体结构等。材料的延性要求应高于截面的延性, 截面的延性要 求应高于构件的延性, 构件的延性要求应高于结构的延性。
6、结 构的延性系数大, 说明结构的变形能力大, 结构的耐久性能好。 有条件时, 应优先选用延性系数大的结构材料。 从结构体系看 , 多高层建筑主要有砌体结构、 钢筋混凝土 结构、 钢结构。钢筋混凝土结构与砌体结构相比, 其强度高、 抗 震性能好 、 结构布置灵活 ; 与钢结构相比、 其造价低、 耐火性能 好 、 结构刚度大、 自重大。 在我国现浇钢筋混凝土结构是多高层 建筑最常用的一种结构形式,这类结构主要包括框架结构、 剪 力墙结构 、 框架 一剪力墙结构 、 简体结构。 这类结构具有足够的 强度、 较大的刚度 、 良好的延性、 很强的整体性 , 目前广泛应用 于地震设 防地 区。 钢筋混凝
7、土结构是由钢筋 和混凝 土组成 的结 构。 钢筋在屈服前应力与应变之间基本上保持线性关系。 钢筋屈 服后 , 在应力不增加的情况下, 应变可以继续增大, 然后发生强 化。混凝土只有在应力很小的情况下应力与应变之间才接近线 性关系, 在应力增大时, 应力与应变呈非线性关系。由于混凝土 材料的非线性原因,使混凝土结构的受力性能和结构分析变得 十分复杂。因此, 要实现钢筋混凝土结构的延性要求也要复杂的 多。 例如影响结构层间极限位移角的因素就很多, 包括梁柱的相 对强度关系, 以及配箍率、 轴压比、 剪跨比、 配筋率、 混凝土强度 等级等, 其中以轴压比、 剪跨比和配箍率为最主要的因素。 2 结构延
8、性的设计控制 2 1 五强五弱” 控 制 2 1 1 强柱弱梁 强柱弱梁设计原则是钢筋混凝土框架结构抗震设计的一 个非常重要的原则, 设计中必须严格遵守。其 目的就是为了保 证在地震作用下 , 框架结构的塑性铰首先在梁上发生 , 而不是 出现在柱上, 避免框架出现楼层破坏机制( 柱铰机制) 。梁先屈 服,可使整个框架有较大的内力重分布和能量的耗散能力, 极 限层间位移增大 , 抗震性能较好。如果不按强柱弱梁原则进行 设计, 在大地震作用下, 柱子会首先产生塑性铰, 从而使结构形 成楼层破坏机制 , 导致建筑物的倒塌。 强柱弱梁是指节点处, 柱 端的实际受弯承载力应大于梁端的实际受弯承载力, 并
9、使不同 抗震等级的柱端弯矩设计值有不同的增大系数。 2 1 2强剪弱弯 强剪弱弯是防止梁柱和剪力墙底部在弯曲屈服前出现剪 切破坏, 目的是保证构件发生弯曲破坏( 延性破坏) , 而不发生 剪切破坏( 脆性破坏) , 或是使梁柱的弯曲破坏先于剪切破坏 , 也就是意味着构件的受剪承载力要大于构件弯曲时实际达到 的剪力。在设计上对不同抗震等级采用不同的剪力增大系数。 2 1 3强节 弱杆 强节弱杆就是梁柱节点的承载力大于梁柱构件的承载力 , 防止杆件破坏之前( 达到极限承载力之前) 发生节点破坏。 节点 核心区( 弱梁 、 强柱、 更强节点) 是保证框架承载力和延性的关 键部位,它包括节点核心受剪承
10、载力及杆件端部钢筋的锚固。 节点一旦发生剪切破坏或锚固钢筋失效, 结构的赘余约束大为 减少, 抗震性能明显下降, 甚至可能导致倒塌。 保证节点区不发 生剪切破坏的主要措施是保证节点区的混凝土强度和密实性, 并在节点核心区放置足够的箍筋。 2 1 4强压弱拉 强压弱拉就是使梁柱截面受拉区钢筋的屈服先于受压区 混凝土的压碎, 构件破坏前 , 其裂缝和挠度有一个明显的发展 过程, 有良好的延性, 这属于延性破坏。 要求构件发生类似于梁 的适筋或柱的大偏心的受压破坏。 2 1 5强基础弱上部 一 些震害表明, 建筑物的上部破坏或倒塌而基础未发现明 显的破坏, 这是由于上部结构的首先破坏, 从而耗散能量
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