解讀我國(guó)鋼筋混凝土抗震設(shè)計(jì)新

1、解讀我國(guó)鋼筋混凝土抗震設(shè)計(jì)3 以框架結(jié)構(gòu)為例談抗震概念設(shè)計(jì)范（2）由于建筑抗震設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，在實(shí)際工程中抗震概念設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。它主要包括以下內(nèi)容：建筑設(shè)計(jì)應(yīng)注意結(jié)構(gòu)的規(guī)則性；選擇合理的建筑結(jié)構(gòu)體系；抗側(cè)力結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的延性設(shè)計(jì)。本文以框架為例重點(diǎn)介紹抗震概念設(shè)計(jì)中的能力設(shè)計(jì)法（capacity design）。能力設(shè)計(jì)法是結(jié)構(gòu)延性設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，包括我國(guó)規(guī)范的內(nèi)力調(diào)整和構(gòu)造兩個(gè)方面。它是二十世紀(jì) 70年代后期，新西蘭知名學(xué)者 T.Paulay 和 Park鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)力取值偏低的情況下具有足為：通過(guò)“強(qiáng)柱弱梁”引導(dǎo)結(jié)構(gòu)形成“梁鉸機(jī)構(gòu)”或者“鉸機(jī)構(gòu)”；通過(guò)“強(qiáng)剪弱夠延性的方法。其彎”

2、避免結(jié)構(gòu)在達(dá)到預(yù)計(jì)延性能力前發(fā)生剪切破壞；通過(guò)必要構(gòu)造措施使可能形成塑性鉸的部位具有必要的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力和耗能能力。從以上三個(gè)方面保證使結(jié)構(gòu)具有必要的延性。框架結(jié)構(gòu)作為常見的框架結(jié)構(gòu)作為常見的結(jié)構(gòu)形式，當(dāng)然其延性設(shè)計(jì)也主要是從這三個(gè)方面來(lái)體現(xiàn)的。3.1 強(qiáng)柱弱梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)分析表明，結(jié)構(gòu)的變形能力和破壞機(jī)制有關(guān)。常見有三種典型的耗能機(jī)構(gòu)，“梁鉸機(jī)構(gòu)”、“柱鉸機(jī)構(gòu)”、“鉸機(jī)構(gòu)”?！傲恒q機(jī)構(gòu)” 和“鉸機(jī)構(gòu)”的屈服，可使整個(gè)框架有較大的內(nèi)力重分布和能量消耗能力，極限層間位移大，塑性鉸數(shù)量多，不因個(gè)別塑性鉸失效而結(jié)構(gòu)整體失效。因而抗震性能好，是鋼筋混凝土理想的耗能機(jī)構(gòu)。我國(guó)規(guī)范采用的是允許柱子、剪力墻出

3、鉸的 鉸方案，采取相對(duì)的“強(qiáng)柱弱梁”措施，推遲柱子的出鉸時(shí)間。但不能完全排除出現(xiàn)薄弱層的柱鉸機(jī)構(gòu)的可能性，因而需要限制柱子的軸壓比，必要時(shí)通過(guò)時(shí)程分析法判斷結(jié)構(gòu)的薄弱層，防止出現(xiàn)柱鉸機(jī)構(gòu)。常見的“強(qiáng)柱弱梁”的調(diào)整措施就是要人為增大柱子的抗彎能力，誘導(dǎo)在先出現(xiàn)塑性鉸。這是考慮到柱中實(shí)際彎矩在中的可能增大。在結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塑性鉸之前，結(jié)構(gòu)構(gòu)件因拉區(qū)混凝土開裂和壓區(qū)混凝土的非彈性性質(zhì)，鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)，使得各構(gòu)件剛度降低。梁剛度降低較受壓的柱子相對(duì)嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)由最初的剪切型變形向剪彎形變形過(guò)渡，柱內(nèi)的彎矩較的彎矩比例增大；同時(shí)結(jié)構(gòu)的周期加長(zhǎng)，影響到結(jié)構(gòu)各振型的參與系數(shù)的大??；力系數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致部分柱

4、子彎矩增大，由于構(gòu)造原因及設(shè)計(jì)中鋼筋的人為增大，使得梁的實(shí)際屈服強(qiáng)度提高，從而使得梁出現(xiàn)塑性鉸時(shí)柱內(nèi)彎矩增大。結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塑性鉸之后，同樣有上述原因的存在，而且結(jié)構(gòu)屈服后的非彈性過(guò)程就是力進(jìn)一步增大的過(guò)程，柱彎矩隨力的增大而增力引起的傾覆力矩改變了柱內(nèi)的實(shí)際軸力。規(guī)范中的軸壓比限值一般能保證柱子在大偏壓的范圍內(nèi)，軸力的減小也能導(dǎo)致柱子屈服能力的降低?？拐鹨?guī)范規(guī)定：除框架頂層和柱軸壓比小于 0.15 者及框與框支柱以外，柱端彎矩設(shè)計(jì)值應(yīng)符合 分別為一級(jí)取 1.4，二級(jí)取 1.2，三級(jí)取 1.1。9 度及一級(jí)框架結(jié)構(gòu)符合，根據(jù)實(shí)配鋼筋面積及材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值確定。底層柱軸力大，塑性轉(zhuǎn)的能力差，為避免柱腳出

5、鉸后壓潰，一、二、三級(jí)框架結(jié)構(gòu)底層，柱端截面組合彎矩設(shè)計(jì)值分別乘以增大系數(shù) 1.5，1.25 和 1.15。角柱的調(diào)整后的組合彎矩乘以不小于 1.10的系數(shù)。對(duì)一級(jí)抗震等級(jí)的剪力墻肢截面組合彎矩設(shè)計(jì)值進(jìn)行調(diào)整，迫使塑性鉸出現(xiàn)在墻肢底部加強(qiáng)部位，底部加強(qiáng)部位及以上一層彎矩設(shè)計(jì)值取墻肢底部截面組合彎矩設(shè)計(jì)值，其它部位乘以 1.2 的增大系數(shù)。對(duì)部分框支抗震墻結(jié)構(gòu)，一、二級(jí)框支柱的柱上端和底層柱下端，其組合彎矩設(shè)計(jì)值應(yīng)分別乘以增大系數(shù) 1.5和 1.25。以上“強(qiáng)柱弱梁”的調(diào)整措施，經(jīng)過(guò)非線性動(dòng)力反應(yīng)分析表明，基本滿足不倒地要求。在 7 度區(qū)，梁的鋼筋由重力荷載控制，柱的鋼筋基本由最小配筋率控制。全

6、面增大了柱梁相對(duì)抗彎能力。同時(shí)，7 度區(qū)很難出現(xiàn)正彎矩塑性鉸，對(duì)抵抗起到有利作用。在 9 度區(qū)，采用實(shí)配鋼筋面積和材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)內(nèi)彎矩，構(gòu)造上梁鋼筋的增大同樣導(dǎo)致柱內(nèi)彎矩設(shè)計(jì)值的增大，在多波輸入下，塑性鉸轉(zhuǎn)動(dòng)大，發(fā)展較充分，柱端塑性鉸發(fā)展不充分，轉(zhuǎn)動(dòng)較小。塑性變形集中與，轉(zhuǎn)動(dòng)大，滿足抗震能力設(shè)計(jì)要求。對(duì)塑性鉸出現(xiàn)充分但轉(zhuǎn)動(dòng)小，8 度區(qū)，其位移反應(yīng)同 9 度差不多，但柱端塑性鉸較 9因而“強(qiáng)柱弱梁”效果不明顯，有關(guān)的完善。建議 8 度二級(jí)抗震等級(jí)時(shí)，彎矩增大系數(shù)宜取 1.35，這有待進(jìn)一步3.2 強(qiáng)剪弱彎“強(qiáng)剪弱彎”是為了保證塑性鉸截面在達(dá)到預(yù)期非彈性變形之前不發(fā)生剪切破壞。就常見的結(jié)構(gòu)而言，

7、主要表現(xiàn)在、柱端、剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)、剪力墻洞口連部、節(jié)點(diǎn)區(qū)。與非抗震相比，增強(qiáng)措施主要表現(xiàn)在提高作用剪力；調(diào)整抗剪承載力兩個(gè)方面。3.2.1 作用剪力一、二、三級(jí)框架梁和抗震墻中跨高比大于 2.5 的連梁，剪力設(shè)計(jì)值其中，一級(jí)取 1.3，二級(jí)取 1.2，三級(jí)取 1.1，一級(jí)框架結(jié)構(gòu)及 9 度符合。一、二、三級(jí)框架柱和框支柱，剪力設(shè)計(jì)值其中，一級(jí)取 1.4，二級(jí)取 1.2，三級(jí)取 1.1，一級(jí)框架結(jié)構(gòu)及 9 度符合。一、二、三級(jí)抗震墻底部加強(qiáng)部位，剪力設(shè)計(jì)值其中，一級(jí)取 1.6，二級(jí)取 1.4，三級(jí)取 1.2， 9 度符合。節(jié)點(diǎn)，一、二級(jí)抗震等級(jí)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)區(qū)抗震受剪承載力驗(yàn)算，三四級(jí)應(yīng)符合抗震構(gòu)造

8、措施，對(duì) 9 度設(shè)防及一級(jí)抗震等級(jí)的框架結(jié)構(gòu)，考慮到已出現(xiàn)塑性鉸，節(jié)點(diǎn)的剪力完全由實(shí)際屈服彎矩決定，按實(shí)配鋼筋面積和材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算，同時(shí)乘以 1.15 的增大系數(shù)。其它一級(jí)按彎矩設(shè)計(jì)值計(jì)算，剪力增大系數(shù)為 1.35，二級(jí)為 1.2。3.2.2 抗剪公式國(guó)內(nèi)外低周反復(fù)荷載作用下鋼筋混凝土連續(xù)梁及懸臂剪承載力實(shí)驗(yàn)表明，混凝土剪壓區(qū)剪切強(qiáng)度的降低、斜裂縫間骨料咬合力及縱筋暗銷力的降低是剪承載力降低的主要原因。規(guī)范對(duì)混凝土的受剪承載力降為非抗震的 60，鋼筋項(xiàng)沒(méi)有降低。同樣，對(duì)偏壓柱受剪承載力實(shí)驗(yàn)表明，反復(fù)加載使柱受剪承載力降低 1030%，主要由混凝土項(xiàng)引起，采取與梁相同的作法。對(duì)剪力墻的實(shí)驗(yàn)表

9、明，其反復(fù)加載比單調(diào)加載受剪承載力降低 1520%，采用非抗震受剪承載力乘以 0.8 的折減系數(shù)。節(jié)點(diǎn)的抗震受剪承載力由混凝土斜壓桿和水平箍筋兩部分受剪承載力組成，有關(guān)給出了相關(guān)公式。為了防止、連梁、剪力墻、節(jié)點(diǎn)發(fā)生斜壓破壞，對(duì)受剪截面規(guī)定了受剪承載力上限，即規(guī)定了配箍率的上限值。通過(guò)非彈性動(dòng)力反應(yīng)分析表明，以上措施基本滿足強(qiáng)剪弱彎的要求。由于二級(jí)抗震等級(jí)在下塑性轉(zhuǎn)動(dòng)仍很大，有關(guān)建議剪力增大系數(shù)不宜比一級(jí)相差過(guò)大，對(duì)1.25 較好，對(duì)柱宜取 1.31.35。其取值的合理性有待于進(jìn)一步完善。需明的是，節(jié)點(diǎn)受力非常復(fù)雜，要保證鋼筋在節(jié)點(diǎn)中的可靠錨固，同時(shí)在端發(fā)生抗彎破壞前，節(jié)點(diǎn)不發(fā)生剪切破壞，其實(shí)

10、質(zhì)應(yīng)屬于“強(qiáng)剪弱彎”的范疇。而且，節(jié)點(diǎn)僅對(duì)一、二級(jí)抗震等級(jí)的剪力進(jìn)行調(diào)整，其增大系數(shù)3.3 構(gòu)造措施的要小，構(gòu)造措施也端弱些。因而，“更強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”的說(shuō)法，不值得提倡。構(gòu)造措施是、剪力墻塑性鉸區(qū)要達(dá)到實(shí)際需要的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力和耗能能力的保證。它與“強(qiáng)剪弱彎”、“強(qiáng)柱弱梁”相互關(guān)聯(lián)，一起保證結(jié)構(gòu)的延性。“強(qiáng)剪弱彎”是保證塑性鉸轉(zhuǎn)動(dòng)能力和耗能能力的前提； “強(qiáng)柱弱梁”的嚴(yán)格程度，影響相應(yīng)的構(gòu)造措施，若實(shí)行嚴(yán)格的“強(qiáng)柱弱梁”，保證柱子除底部外不出現(xiàn)塑性鉸，相應(yīng)的軸壓比等構(gòu)造措施就要松些。我國(guó)采取相對(duì)的“強(qiáng)柱弱梁”，延緩柱子出鉸的時(shí)間，所以需要采取較嚴(yán)的構(gòu)造措施。3.3.1 梁的構(gòu)造措施梁塑性鉸截面的延性與

11、很多有關(guān)，截面延性隨受拉鋼筋配筋率及屈服強(qiáng)度的提高而降低；隨受壓鋼筋配筋率和混凝土強(qiáng)度提高而提高，隨截面寬度增大而增大；塑性鉸區(qū)的箍筋可以防止縱筋的壓屈、提高混凝土極限壓應(yīng)變、斜裂縫的開展、抵抗剪力，充分發(fā)揮塑性鉸的變形和耗能能力；跨比越小，剪切變形比例越大，易發(fā)生斜裂縫破壞，使延性降低。筋配箍率過(guò)低，梁開裂后鋼筋可能屈服甚至拉斷。因而，規(guī)范對(duì)于筋最大配筋率和最小配筋率、箍筋加密區(qū)長(zhǎng)度、最大間距、最小直徑、最大肢距、體積配箍率都有嚴(yán)格規(guī)定。為了抵抗制。同時(shí)，還對(duì)梁的最小寬度、跨高比、可能的正彎矩，保證截面延性，對(duì)做了規(guī)定。拉壓鋼筋面積比作出了限3.3.2 柱的構(gòu)造措施柱為壓彎型受力構(gòu)件，軸壓比

12、對(duì)延性及耗能性影響較大。軸壓比小時(shí)，柱子發(fā)生大偏壓破壞，構(gòu)件變形大，延性好，但耗能性降低；隨軸壓比的增大，耗能性增大，但是延劇下降，而且箍筋對(duì)延性的幫助減小。對(duì)于采用低力設(shè)計(jì)的柱子，主要保證其延性，而耗能性放到第二位。規(guī)范對(duì)軸壓比作出了限制，一般能保證在大偏壓的范圍內(nèi)。箍筋同樣也對(duì)延性起到很大的作用，約束縱筋、提高混凝土壓應(yīng)變、斜裂縫發(fā)展。柱一般為對(duì)稱配筋，其縱筋配筋率越大，柱子屈服時(shí)變形越大，延性越好。因而對(duì)柱子的縱筋最小配筋率、箍筋加密區(qū)長(zhǎng)度、最大間距、最小直徑、最大肢距、體積配箍率做出了嚴(yán)格規(guī)定。同時(shí)對(duì)柱子的、剪跨比、截面最小高度、寬度做出了規(guī)定，以提高抗震性能。3.3.3 節(jié)點(diǎn)構(gòu)造措施

13、節(jié)點(diǎn)作為壓比偏低時(shí)為節(jié)點(diǎn)鋼筋的錨固區(qū)，對(duì)結(jié)構(gòu)性能影響很大。為保證在和豎向荷載作用下，節(jié)點(diǎn)區(qū)剪區(qū)提供必要的約束，保持節(jié)點(diǎn)在不利情況下的基本抗剪能力，使縱筋可靠錨固，對(duì)節(jié)點(diǎn)區(qū)的箍筋最大間距、最小直徑、體積配箍率做出了規(guī)定?？v筋在節(jié)點(diǎn)的可靠錨固是節(jié)點(diǎn)構(gòu)造措施的主要內(nèi)容。規(guī)范對(duì)過(guò)點(diǎn)的直徑；對(duì)縱筋錨固長(zhǎng)度；錨固方式都有詳細(xì)的規(guī)定。3.3.4 剪力墻構(gòu)造措施為保證剪力墻的延性和耗能能力，為墻肢提供約束，防止出現(xiàn)大的裂縫，規(guī)范對(duì)剪力墻的邊緣構(gòu)件做出了詳細(xì)規(guī)定；同時(shí)也對(duì)剪力墻的軸壓比作出了限制；為保證剪力墻的承載力和側(cè)向剛度，對(duì)剪力墻提出了最小墻厚的要求；為防止斜拉剪切破壞，限制斜裂縫的發(fā)展，減小溫度收縮裂縫，對(duì)剪力墻的水平、豎向分布筋的最小配筋率、最大間距、最小直徑做出了規(guī)定。綜上所述；框架結(jié)構(gòu)主要就是通過(guò)計(jì)算和構(gòu)造措施來(lái)實(shí)現(xiàn)“追求梁鉸機(jī)構(gòu)的能力設(shè)計(jì)方案”從而，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“不壞，中震可修，不倒”的三水準(zhǔn)設(shè)防目標(biāo)的。整體上本次范的的執(zhí)行,比老規(guī)范在各類建筑中提高建筑用鋼量 40%.直接提高各類建筑建安成本造價(jià)(備注:主要包括建材直接成本安裝制作費(fèi))100 元-300 元.對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)建筑提高 300-600 元.認(rèn)為本次規(guī)范的調(diào)整對(duì)于部分城市是有益的,尤其是對(duì)于有潛在多發(fā)可能的城市.但認(rèn)為本次規(guī)范存在過(guò)于浪費(fèi)鋼材的事實(shí).同時(shí),因?yàn)橐?guī)范在部分地方的要求不夠詳細(xì),造成決大多數(shù)設(shè)計(jì)師不能完全理解,從而增大