钢筋混凝土框架结构延性设计.pdf
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1、第 3 8 卷 第 7期 2 0 1 1 年 7月 建筑技术开发 Bui l d i ng Te c hn i q u e De v e l o p me n t Vo 1 3 8, No 7 J u 1 2 0 1 1 钢 筋 混凝 土框 架 结构延 性设 计 蔡龙 杜宏彪。 金 仁和 ( 1 广 东石 油化 工 学院建 筑 工程 学院 , 广 东 茂名 5 2 5 0 0 0 ; 2 深圳 大 学土木 工程 学 院 , 广 东 深 圳5 1 8 0 6 0 ) 术 摘要 介绍 了结构延性 的概念 , 分析了结构延性的意义 , 总 结了钢筋 混凝 土框架结 构的设计 原则 。从 梁 、 柱
2、以及 节 点三个方面对钢筋混凝土框架结构 的延性设计 做了较系统的综述和讨论 , 以供工程设计参 考。 关键 词 框架结构 ; 结 构延性 ; 抗震设计 中图分类 号 T U 3 1 8 【 文献标志码 A 文章编 号 1 0 0 1 5 2 3 X( 2 0 1 1 ) 0 7 0 0 0 3 0 4 DUC1 【 】 J Y I ) 】 E I GN oF E 】 NFIDRCE CoNCI TE 蝴S RUCrl E A b s t r a c t Ke y w o r d s C a i L o n g Du Ho n g - b i a o J i n Re n - h e The
3、c o n c e pt i o ng o f s r u c t u r a l du c t i l i t y i s pr e s e n t e d, t he i mpo r t a n t me a s u r e s r u c t u r a l d uc t i l i t y i s a n a l y z e d,a nd t h e de s i g n p r i n c i pl e o f r e i n f o r c e c on c r e t e f r a me s r uc t u r e i s s umma r i z e dI n t h i
4、s p a p e r ,du c t i l i t y de s i g n o f r e i n f o r c e c o nc r e t e f r a me s t r u c t ur e a r e s y s t e ma t i c a l l y c o l l e c t e d, s u mma r i z e d a nd di s c us s e d ba s e d o n t h e du c t i l i t y o f f r a me c o l u mn, b e a m a n d j o i n t , s e r v e a s r e
5、f e r e n c e f o r p r a c t i c a l e n g i n e e r i n g d e s i g n f r a me s r uc t u r e; s r uc t u r a l d u c t i l i t y; s e i s mi c d e s i g n 框架结构 是由梁 、 柱组 成 的结 构体 系 , 其建筑 平 面布 置 灵活 , 易于满足建筑物 设 置大空 间 、 改变平 面使 用功 能的要 求 , 在工业 与民用建筑 中应用广泛 , 目前我 国多高层建 筑 中, 钢筋混凝土框架结构是最常用 的结构形式 之一 。在地震 区 ,
6、 结构不仅应具有足 够 的承载 力和 刚度 , 还要有 良好 的延 性 , 即在遭遇罕遇地震作 用 时 , 结 构进 入塑性 阶段 , 在 塑性变 形 过 程中吸收和耗散地 震 能量 , 以塑性 变形 抵抗 地震作 用 , 不 致倒塌 。通 过合理的设计 , 钢筋混凝 土框架结 构可 以获得 良 好 的延 性 , 即所谓 的 “ 延性 框架 ” , 它 具有 较好 的抗 震 性 能。 因此在 多高层建筑中 , 钢筋混凝 土框 架结构是 一种较好 的结 构体系 。 1结构 延性的概念 结 构延性是 指结构 在承 载力无 明显降低 的前 提下发 生 非弹性变形 的能力 , 是 结构 塑性 变形能
7、力大 小 的一 种性 能 。 如果结构超越弹性极 限后直至破坏 所发生 的变 形量大 , 表 明 其 延性好 ; 如果结 构超越 弹性 极 限后随 即破坏 , 表 明其 延性 差 , 这种破坏称为脆性破 坏。 图 1 所 示 , 结 构弹性状态是 指外 荷载与结构位 移成线性 关系的状态; 当结构中某些部位出现塑性铰后 , 荷载与位移 +基金项 目: 广东石油化工学 院青年创新人才培育项 目( 2 0 0 9 y c 0 5 ) 收 稿日期 : 2 0 1 1 0 4 0 5 作者 简介: 蔡龙 ( 1 9 7 6 ) , 男 , 海南万 宁人 , 硕 士研究 生, 讲师 , 从 事 结构 工
8、程方 向的教学与科研工作 。 将呈现非线性关 系; 当荷载增 加很 少而 位移 迅速增加 时 , 可 认 为结 构“ 屈服” ; 当承载能力 明显下降或者结构处 于不稳 定 状 态时 , 认为结构 破坏 , 达 到极 限位移 。结构延 性一般 用 顶 点 位移 比 = ,4 表示。 P f f f f f 7 J f f P P O 图 1 结构的延性 2 结构延性 的意义 图 2所示 为弹塑性 结构 和相应 的弹性结 构的荷 载 一位 移 曲线 。研究结 果表 明 , 在 低频 结构 中 , 同一个 地震 波作用 下 的弹性与 弹塑性 结构 的位移 反应 相近 , 如 图 ( a ) , 令
9、 = ( 、 分别 为弹性结 构荷 载 P 和弹塑性 结构荷载 P 相 应 的位移 ) , 根据 几何 比例 关系可 得 , P P =1 g 。 , 其 中 , 。 = 4 是弹塑性结构塑性 位移 与屈服位 移之 比 , 即结构 的 延性 。在 中频结构 中 , 二者在 同一个地 震波作用下 吸收 的能 量相近 , 如图( b ) 所示 , 不同方向的阴影线分别表示两种结构 吸 收 的 能 量 , 根 据 面 积 相 等 原 则 可 以 得 , P P : 1 、 芝 。大多数结构属于中、 低频结构。图( c ) 表示P P 与 的 函数关系 。 3 第 7期 蔡龙 , 等 : 钢 筋混凝
10、土框 架结构延性设计 第 3 8卷 P Ps 0 y T- - As A ( a 二 一 图 2地震作用与弹塑性变形 的关系 通过分析 比较 , 可 以得 出, 在同样 的地震 作用下 , 弹塑性 结构所受的等效 地震 力 比弹性结 构大 大降低 。这是 因为 弹 塑性结构在强震作 用下 , 结 构某些 杆件 发生 屈服 , 出现塑性 铰 , 使 结构 剐度降 低 , 周期增 大 , 地震对结 构 的作 用力 减小 。 在罕遇地震作用 下 , 要求结 构处 于弹 性状 态是 没有必 要 的, 也是不经济 的。因此 , 在设 防烈 度地 震作用 下 , 利用 结构 弹 塑性性能 吸收和耗散地震能
11、量 , 可 以降低对结 构承载力 的要 求 , 减小地震反应 , 达到节省材料的 目的 。 3 钢筋混凝土延性框架设计 的基 本原 则 震 害调 查分 析和结构试验研究结果 表明 , 钢筋混凝 土粱 框架结 构可 以设 计成 具有 较 好塑 性 变形 能力 的延 性结 构。 抗震 结构设计 中, 不是简单加大截面或增强 配筋就 一定能取 得可靠 的效果 , 相反地 , 有 时花了代 价还得 到坏 的结 局 , 这点 要 比结构静力设计 突出得 多。因此 , 设计 时应该 具有正 确的 指导原则 。 3 1 强 柱 弱 梁 通 过增大 柱截 面的考虑 地震作 用的设计 弯矩 组合值 和 合理 的
12、配筋构造 , 以推迟柱 端在 强震 下塑性 铰 的出现 , 并 控 制柱端塑性 转动量不超出其塑性转动能 力 , 使 塑性铰尽 可能 出现在 梁的两端 , 形成具有较高延性 能力 的“ 梁铰机构 ” 。 因 为柱是 框架结 构 中最 重要 的承 重 构件 , 即使 是个 别 柱 的失 效 , 也可能导致整个结构倒塌 。 3 2 强剪弱 弯 通过适度增大梁 、 柱 的作用剪力和采 用可 以反 映构件在 纵筋屈服后 的不 同延 性状 态下抗 剪 能力变 化规 律 的抗 剪公 式 , 避 免梁 、 柱 在弯 曲破 坏之 前发生剪 切破坏 , 使 梁 、 柱的 抗 剪承载能力 大于抗弯 承载能力。因为
13、梁 、 柱 的剪切破坏是 脆 性 的 。 3 3强 节 点 , 强 锚 固 框架节 点是 框架梁 、 柱 构件 的公共 部分 , 节 点 的破坏 意 味着与之相连 的梁与柱 同时 破坏 , 梁 、 柱 构件也 就不 再能 形 成抗侧力 的框架结构 了。震 害调查 表 明, 钢筋 混凝土框架 节 点 区破坏 的主要形式 是 由于节 点核 芯区箍 筋 配置不 够发 生 剪切破坏 以及 由于梁 、 柱纵 向钢筋在节点 区 内的滑移发生 钢 筋锚 固破坏 。因此在设计 过程 中 , 应通 过抗剪 验算在节 点 区 配置足够 的箍筋 , 并保 证混 凝 土的强 度及 密实性 , 实现强 节 点 ; 通过
14、处理好 梁 、 柱 纵 向钢 筋在 节 点 区的 锚 固构 造 , 保 证 梁 、 柱纵 向钢筋在节点 区应有可靠 的锚 固 , 实现强锚 固。 4 3 4其 他 的 构 造 措 施 通过构件塑性变形 区域 的构造措施 , 例 如限制梁端 受压 区高度 、 柱 的剪跨 比和轴 压 比、 梁 柱截 面剪压 比以及 柱 受压 纵筋及受压混凝土 的约束措施等 , 保证相应 塑性铰 区能够具 备所需要 的延性能力 。 4 提 高钢筋混凝土框架延性的具体措施心 对结构延性 的要求 具体 体现在对构件延 性的要求 上 , 特 别是要提 高结构 中关键 构件 和 构 件 中的关 键 部位 的延 性 。 框架
15、结构 是由梁、 柱构件组成 的, 节点是框架 梁 、 柱构件 的公 共部 分。因此 提高框架结构延性具体体 现在提高框架 柱 、 框 架梁 以及 节点的延性要求上。 4 1 钢 筋 混 凝 土 框 架柱 4 1 1 遵 循强柱弱梁的设计原则 为 了使梁端塑性铰先 于柱端塑性 铰 出现 , 实现强 柱弱梁 的设计原则 , 应适 当提高柱 端截 面抗 弯承载 力 , 使 在一 个节 点 的上下柱端截 面的抗弯 承载 力之 和大 于该节 点左右 梁端 截面 的抗弯 承载 力 之和 。为 此 , 我 国规 范规 定 , 一 、 二 、 三级 框架 的梁柱节点处 , 除框架顶层 和柱轴压 比小于 0 1
16、 5外 , 柱 端组合 的弯矩设计值应符合 下式要 求 : M = 7 Mb 一 级框架结构及 9度 的一级框架 可不符合 上式要求 , 但应 符 合下式要求 : 肘 =1 2Mb 式 中肘 节点 上下 柱端截面顺 时针 或反 时针方 向组合 的 弯矩设 计值之和 ; 一节点左右梁端截 面反时针 或顺 时针 方向组合的弯矩设计 值之 和; M 一节 点左右梁 端截 面反 时针或顺时针根据实配钢 筋面 积 ( 考虑受压 钢筋 ) 和 材料强 度标准值计算 的受弯 承载力所 对应 的弯矩值之 和 ; 一框架 柱端弯矩增 大 系数 ; 对 框架 结 构 , 一 、 二 、 三、 四级 可 分 别取
17、1 7 、 1 5 、 1 3 、 1 2 ; 其他结 构类型中的框架 , 一级 可取 1 4 , 二 级可取 1 2 , 三 、 四级可取 1 1 。 当反弯点不在柱的层高范围内时, 柱端截面组合的弯矩 设计值可乘 以上 柱端 弯矩增 大系 数。为 了增加框 架结 构底 层柱柱脚处截 面抗 弯承 载力 , 推迟 柱脚 处塑 性铰 的出现 , 抗 震设计时 , 一 、 二 、 三 、 四级框架结构 的底层 , 柱 下端截面组合 的弯矩设计值 , 应分别乘 以增大系数 1 7 、 1 5 、 1 3和 1 2 。 4 1 2 遵循强剪弱弯 的设计原则 为 了防止框架柱在弯 曲破坏之 前发生剪 切
18、破坏 , 实现强 第 3 8卷 蔡龙 , 等 : 钢筋混凝土框架结构延性设计 第 7期 剪 弱弯的设 计 原则 , 应 适 当提 高柱 端 塑性 铰 区的抗 剪 承 载 力 。为此 , 我 国规范规定 , 一、 二 、 三、 四级 框架柱组 合的剪力 设计值应按下 面要求调 整 : V=叩 ( + M ) H 一 级框架结构及 9度 的一级框架 可不符合上式 要求 , 但应符 合下式要求 : V=1 2 ( + ) H 式 中 日 一 柱的净高 ; 7 1 。 一柱剪力增 大系数 , 对框架结 构 , 一 、 二 、 三 、 四级 可分别 取 1 5 、 1 3 、 1 2 、 1 1 ; 对
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