高层建筑框架结构延性抗震设计分析

顾德永

【摘要】框架结构是由梁、板、柱以及节点四个部分组成，其中梁、柱以及节点的延性决定了整个框架结构的延性。因此，只要保证柱、梁和节点的延性就可以保证框架结构的延性，从而确保了框架结构的抗震能力。本文主要是结合工程实际，对某高层的钢筋混凝土底层框架柱进行延性抗震设计，收到了良好的效果。

【关键词】框架柱；抗震；延性；有限元

1、工程简介

某一高层建筑的主体结构为钢筋混凝土框架-剪力墙结构，地上25层，地下1层，结构总高度88.1m，设防列度8度，丙类建筑，地下室内部剪力墙很少（可忽略其作用），底层柱子计算长度4.60m，柱子净高3.50m，框架抗震等级为一级，剪力墙抗震等级为一级。下面将对该工程底层框架柱延性抗震设计思路进行详细的分析。

2、影响结构延性的主要因素

梁是框架结构中的主要受力构件之一，在抗震设计中要求塑性铰首出现在梁端且又不能发生剪切破坏，同时还要防止由于梁筋屈服渗入节点而影响节点核心区的性能。试验和理论分析表明，影响梁截面延性的主要因素如下所示：

（1）梁截面要求：梁宽不宜小于柱宽的1/2，且不≥200，梁的高宽比不宜>4，梁的跨高比不宜<4。

（2）梁纵筋配筋率：通过限制受拉配筋率可以避免剪跨比较大的梁在未达到延性要求之前梁端下部受压区混凝土过早达到极限压应变而破坏。

（3）梁纵筋配置：梁端截面上纵向受压钢筋与纵向受拉钢筋保持一定比例。

（4）梁端箍筋加密：抗震规范对此出了详细规定。

柱是框架结构中主要的受力构件，要想提高框架结构的抗震性能，就必须确保构件有足够的延性，构件延性好的框架结构能吸收较多的地震能量，抗震性能就好。因此，在进行框架结构设计时，应遵循强柱弱梁的设计原则，使塑性铰出现在梁端，以增强构件的延性。节点是框架梁柱构件的公共部分，节点的失效就意味着与之相连的梁与柱同时失效，所以对节点也应予以足够的重视[2]。

3、延性设计及抗震分析

延性设计主要是利用结构、构件自身的延性耗能能力来抵抗地震作用，也可以说成就是通过对结构允许出现塑性铰的部位进行专门的延性设计，使基于多遇水准地震作用的设计能够满足经历更大的地震而不会发生灾难性破坏[2]。

经过初步建模运算，该工程底层地下室大部分框架柱受力较大，因特殊使用要求，不能再增大柱子截面，也不能通过增加柱子数目和剪力墙数目来调整轴压比。出于安全性考虑，可以利用构造措施，通过对柱端进行延性设计来保证柱端的延性能力，以达到“小震不坏，中震可修，大震不倒”的设防目标[3]。

3.1 轴压比上限控制

对于框架柱，轴压比是影响柱子受力性能的很重要的一个方面。控制柱子轴压比上限值可以保证柱端塑性铰区具有必要的延性能力。

柱子的轴力在地震时是会变化的，既受竖向荷载影响，又受水平荷载影响，而轴力变化会引起柱子的瞬时的弯矩曲率关系发生变化，如下图1所示。

从图1中可知，轴力越大，柱子越容易处于小偏压受力狀态。而小偏心受压破坏时，受拉钢筋没有屈服，甚至受压钢筋也没屈服，这种破坏是没有延性的，在抗震设计时应与以避免。所以，轴压比

对柱子的延性能力的发挥有很大影响。因此，要控制柱子中的轴压比不能太大，以便柱端延性能力的发挥。该工程在柱子截面大小和数目上均受到限制的条件下， 式（1）可知，可以考虑选择适当的混凝土强度等级，或者改变传力路径，使柱子受到的力更小。

3.2 控制剪跨比

剪跨比的大小决定了荷载作用下框架柱的破坏模式：当剪跨比大于2时，框架柱在水平荷载作用下，一般发生延性较好的弯曲破坏；当剪跨比小于2时，框架柱变为短柱，在水平荷载作用下，一般均发生剪切破坏，此时受拉钢筋还没有屈服，而受压区的混凝土在较大的复合应力状态下压溃，从而发生脆性破坏。剪跨比对构件的延性也有一定的影响，随着剪跨比的增大，混凝土框架柱的破坏形态由剪切破坏转变为弯曲破坏，从而使构件的延性也有所增加[2]。

该工程底层柱剪跨比λ=Hn/（2h）=3500/（2×600）=2.92>2，可以避免发生脆性的剪切破坏。

3.3 合理布置柱端约束箍筋

实验及前期工程表明，配置箍筋较少的柱子，常发生大范围的整体压溃，呈现无延性破坏。根据这类破坏形态，沿柱高配置足够数量的箍筋后，才能保证柱端塑性铰的形成。在外力作用下，柱端截面可能承受两个主轴方向的外力，从而使得混凝土全截面受损，柱端就要有足够的箍筋约束。全截面的配箍，加强了柱端核心区混凝土的约束，使受压混凝土的轴心抗压强度和混凝土的受压极限变形能力有所提高，更不容易压溃，从而有利于柱端延性能力的发挥。对于轴压比而言，减小了轴压比，也对延性能力的发挥有利。此外，箍筋也参与到了柱端的抗剪，有利于塑性铰在达到足够的塑性转动能力时不发生非延性剪切破坏，从而保证柱端延性能力。因此约束箍筋越多，改善延性的效果越好[3]。

该工程由于柱子受力较大，在满足规范要求的前提下，可以考虑适当加大箍筋的配筋率（体积配筋率），来提高柱子的延性。

3.4 合适的柱纵向钢筋的配筋率

纵向钢筋对塑性铰的形成及塑性变形能力的发挥，至关重要，合适的纵向钢筋的配筋率才能避免柱子发生无延性的小偏压破坏。因此，为了避免地震作用下框架柱过早地进入屈服阶段，增大屈服时柱的变形能力，提高柱的延性和耗能能力，全部纵向钢筋的配筋率不应过小。研究也表明，柱延性随着纵筋配筋率的增加而增大[4]。

因此，考虑到该工程的特殊使用要求，可以在满足不超过最大配筋率的前提下，适当加大纵向钢筋配筋率。

总 结

经过非线性有限元分析，经过合理配筋的框架柱，在大轴压比的情况下，柱子仍然具配足够的延性。由此可见，在大轴压比的情况下，选定合适的混凝土强度等级和钢筋等级后，控制框架柱轴压比上限，满足柱端约束箍筋的数量及构造要求，并合理配置足够的纵向钢筋，仍然能够保证框架柱具备足够的延性，从而确保了框架结构的抗震设计满足要求。

参考文献

[1] 罗瑞琦.结构延性与抗震设计[J].山西煤炭管理干部学院学报. 2002（04）.

[2] 陈庆国. 钢筋混凝土框架结构的抗震延性设计[J]. 产业与科技论坛. 2010（11）

[3] 郭继武.建筑抗震设计[M].中国建筑工业出版社.2011

[4] 包高娃，麦拉苏. 结构延性与抗震设计[J]. 内蒙古民族大学学报. 2009（02）

[5] 马鑫. 在多层框架抗震设计中几个问题的探讨[J]. 中国科技财富. 2009（08）