钢筋混凝土结构抗震思路的理解

牛彦兰

摘要:钢筋混凝土结构是我国工业与民用建筑中最常见的结构。正确掌握现在抗震设计方法还要理解抗震思路的由来,不仅要进行抗震理论计算,更要重视抗震的构造要求,采取适当的抗震技术措施确保结构安全。

关键词:钢筋混凝土 核心抗震 抗震设计 抗震构造

一、钢筋混凝土抗震的理论及应用

自1932年M·A·Biot提出反应谱理论和1959年G·W·Housner给出世界上第一条设计谱以来,地震反应谱理论得到了全世界地震工程界的广泛认同,也因此吸引了全世界包括我国地震工程科学家和工程师对此进行了深入的研究,研究表明,对于长周期(指弹性周期且T>1.0s)的结构可以适用“等位移法则”,即弹性体系与弹塑性体系的最大位移反应总是基本相同的;而对于中周期(指弹性周期且0.12s

二、钢筋混凝土结构的抗震措施

我国抗震设计对钢筋混凝土结构提出的是“高延性要求”,也就是要求结构在较大的屈服后塑性变形状态下仍保持其竖向荷载和抗水平力的能力,具体做法是通过合理设计使柱端抗弯能力大于梁端从而使结构在地震作用下形成“梁铰机构”,即塑性变形或塑性铰出现在比较容易保证具有较大延性能力的梁端;通过相应提高构件端部和节点的抗剪能力以避免构件发生非延性的剪切破坏。其核心是:

(一)“强柱弱梁”措施

主要是通过人为增大相对于梁的抗弯能力,使塑性铰更多的出现在柱端而不是梁端,让结构在地震引起的动力反应中形成“梁铰机构”或“梁柱铰机构”,通过框架梁的塑性变形来耗散地震能量。

根据对构件在强震下非线线动力分析可知,强震下,由于构件产生塑性变形,因此可以耗散部分地震能量,同时根据杆系结构塑性力学的分析知道,在保证结构不形成机构的要求下,“梁铰机构”或“梁柱铰机构”相对与“柱铰机构”而言,能够形成更多的塑性铰,从而能耗散更多的地震能量,因此我们需要加强柱的抗弯能力,引导结构在强震下形成更优、更合理的“梁铰机构”或“梁柱铰机构”。

这一套抗震措施理念已被世界各国所接受,但是对于耗能机构却出现了以新西兰和美国为代表的两种不完全相同的思路。这两种思路都承认应该优先引导梁端出塑性铰,但是双方对柱端塑性铰出现的位置和数量有分歧。

新西兰追求理想的梁铰机构,规范中底层柱的弯距增大系数比其它柱的弯距增大系数要小一些,这么做的目的是希望在强震下,梁端塑性铰形成较为普遍,底层柱塑性铰的出现比梁端塑性铰迟,而其余所有的柱截面在大震下不出现塑性铰的“梁铰机构”。但是新西兰人也不认为他们的理想梁铰方案是唯一可用的方法,他们在规范中规定可以选用两种方法,一种是上述的理想梁铰机构法,另一种就是类似于美国的方法。

美国规范的做法则希望在强震下塑性铰出现较早,柱端塑性铰形成较迟,梁端塑性铰形成得较普遍,柱端塑性铰可能要形成得要少一些的“梁-柱塑性铰机构”(柱端塑性铰可以在任何位置形成,这一点是与新西兰规范的做法是不同的)。中国规范和欧洲EC8规范也是采用与美国类似的方法。

(二)“强剪弱弯”措施

用剪力增大系数增大梁端,柱端,剪力墙端,剪力墙洞口连梁端以及梁柱节点中的组合剪力值,并用增大后的剪力设计值进行受剪截面控制条件验算和受剪承载力设计,以避免在结构出现脆性的剪切破坏。

钢筋混凝土的抗剪能力由混凝土自身的抗剪能力、裂缝界面的骨料咬合力、纵筋销栓力和箍筋的拉力4部分构成,而通过对框架梁在强震下的抗剪分析可知,混凝土的梁端抗剪能力在形成塑性铰后会比非抗震时有所下降,主要原因有以下几个:

1.由结构力学和材料力学的分析可知,梁端总是正剪力大于负剪力,如果发生剪切破坏时,剪压区一般都在梁的下部,而此时混凝土保护层已经剥落,且梁下端又没有现浇板,所以混凝土剪压区的抗剪能力会比非抗震时偏低。

2.由于在强震下剪切破坏要发生在塑性铰充分转动的情况下,而非抗震时的剪切破坏往往发生在纵筋屈服之前,因此在抗震条件下混凝土的交叉裂缝宽度会比非抗震情况偏大,从而使斜裂缝界面中的骨料咬合效应慢慢退化,加之斜裂缝反复开闭,混凝土体破坏更严重,这使得混凝土的抗剪能力进一步被削弱。

3.混凝土保护层的剥落和裂缝的加宽又会使纵筋的抗剪销栓作用有所退化。

我们一般在计算钢筋混凝土的抗剪能力时,只计算了混凝土自身的抗剪能力和箍筋的抗剪能力(V=Vc+Vsv),而把斜裂缝界面中的骨料咬合能力及纵筋的销栓作用作为它多余的强度储备。在抗震下梁端的塑性铰的形成,使得骨料咬合力及纵筋的销栓作用有所下降,钢筋混凝土的抗剪强度储备也会下降,同时由于混凝土的抗剪能力(Vc)的下降,V也会比非抗震时小,如果咬使V不变,那么就只有使Vsv变大,即增加箍筋用量,所以我们可以得出这样的结论,在抗震情况下箍筋用量比非抗震时要大一些,这不是因为地震使梁的剪力变大了而增加箍筋用量,而是由于混凝土项的抗剪能力下降,相应的必须加大箍筋用量。其他构件的原理也相似。

(三)抗震构造措施

通过相应构造措施保证可能出现塑性铰的部位具有所需足够的延性,具体来说就是塑性转动能力和塑性耗能能力。

对于梁柱等构件,延性的影响因素最终可归纳为最根本的两点:混凝土极限压应变,破坏时的受压区高度。影响延性的其他因素实质都是这两个根本因素的延伸。

对于梁而言,无论是对不允许柱出现塑性铰(底层柱除外)的新西兰方案,还是允许柱出现塑性铰但控制其出现时间和程度的方案,梁端始终都是引导出现塑性铰的主要部位,所以都希望梁端的塑性变形有良好的延性(即不丧失基本抗弯能力前提下的塑性变形转动能力)和良好的塑性耗能能力。因此除计算上满足一定的要求外,还要通过的一系列严格的构造措施来满足梁的这种延性。

1.控制受拉钢筋的配筋率。配筋率包括最大配筋率和最小配筋率,前者是为了使受拉钢筋屈服时的混凝土受压区压应变与梁最终破坏时的极限压应变还有一定的差距(梁的最终破坏一般都以受压区混凝土达到极限压应变,混凝土被压碎为标志的);后者是保证梁不会在混凝土受拉区刚开裂时钢筋就屈服甚至被拉断。

2.保证梁有一定的受压钢筋。受压钢筋可以分担部分剪力,减小受压区高度,另外在大震下,梁端可能出现正弯距,下部钢筋有可能受拉。

3.保证箍筋用量,用法。箍筋的作用有三个,一是抗剪;二是规定箍筋的最小直径,保证纵筋在受压下不会过早的局部失稳;三是通过箍筋约束受压混凝土,提高其极限压应变和抗压强度。

4.对截面尺寸的要求。规范规定框架梁截面尺寸宜符合下列要求:(1)截面宽度不宜小于200mm;(2)截面高度与宽度的比值不宜大于4;(3)净跨与截面高度的比值不宜大于4。一般我们把跨高比小于5的梁称为深梁,深梁的抗弯和抗剪机理与一般的梁(跨高比大于5的梁)有所不同,所以我们在设计中最好能避免设计成深梁。

柱除了受弯距和剪力以外,还要承受轴力(梁的轴力一般都很小,在设计中都不予以考虑),尤其是高层建筑,轴力就更大了,所以柱还有对轴压比的限制,其中对不同烈度下有着不同延性要求的结构有着不同的轴压比限值;另外,柱端箍筋用量的控制条件不是简单的用体积配箍率,而是用配箍特征值,它同时考虑了箍筋强度等级和混凝土强度等级对配箍量的影响。

三、钢筋混凝土的抗震分析方法

结构抗震设计的首要任务就是对结构最大地震反应的分析,以下是一些常用的抗震分析方法:

(一)底部剪力法

底部剪力法实际上时振型分解反应谱法的一种简化方法。它适用于高度不超过40m,结构以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的框架结构,此时假设结构的地震反应将以第一振型为主且结构的第一振型为线性倒三角形,通过这两个假设,我们可近似的算出每个平面框架各层的地震水平力之和,即“底部剪力”,此方法简单,可以采用手算的方式进行,但精确度不高。

(二)振型分解反应谱法

振型分解反应谱法的理论基础是地震反应分析的振型分解法及地震反应谱概念,它的思路是根据振型叠加原理,将多自由度体系化为一系列单自由度体系的叠加,将各种振型对应的地震作用、作用效应以一定方式叠加起来得到结构总的地震作用、作用效应。此法计算精度高,但计算量大,必须通过计算机来计算。

(三)弹性时程分析

弹性时程分析法,也称为弹性动力反应分析。所谓时程分析法就是将建筑物作为弹性或弹塑性振动系统,直接输入地面地震加速度记录,对运动方程直接积分,从而获得计算系统各质点的位移,速度,加速度和结构构件地震剪力的时程变化曲线。而弹性时程分析法就是把建筑物看成是弹性振动系统。

(四)非线(弹)性时程分析

非弹性时程分析法,也称为非线性动力反应分析。就是将建筑物作为弹塑性振动系统来输入地面地震加速度记录。时程分析法就可以准确而完整的反映结构在强烈地震作用下反应的全过程状况。所以,它是改善结构抗震能力和提高抗震设计水平的一项重要措施。

(五)非线(弹)性静力分析

非线(弹)性静力分析主要是指推覆方法,它从本质上说是一种静力分析方法,对结构进行静力单调加载下的弹塑性分析。具体地说,在结构分析模型上施加按某种方式模拟地震水平惯性力的侧向力,并逐级单调加大。构件一旦开裂或屈服,修改其刚度;直到结构达到预定的状态(成为机构、位移超限或达到目标位移)。

参考文献:

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[2]徐龙军.统一抗震设计谱理论及其应用[D].哈尔滨工业大学,2006。

[3]T.T.Soong,G.F.Dargush著,董平译.结构工程中的被动消能系统[M].科学出版社,2005。

(作者单位:河北省涉县崇利制钢有限公司)