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文献综述

一 浅谈混凝土结构的形式与发展
混凝土结构主要有框架结构、剪力墙结构、框架剪力墙结构和筒体结构四种类型。
框架结构由梁柱构成，构件截面较小，因此框架结构的承载力和刚度都较低，它的受力特点类似于竖向悬臂剪切梁，楼层越高，水平位移越慢，高层框架在纵横两个方向都承受很大的水平力，这时，现浇楼面也作为梁共同工作的，装配整体式楼面的作用则不考虑，框架结构的墙体是填充墙，起围护和分隔作用，框架结构的特点是能为建筑提供灵活的使用空间，但抗震性能差。
剪力墙结构。钢筋混凝土的墙体构成的承重体系。剪力墙结构指的是竖向的钢筋凝土墙板，水平方向仍然是钢筋混凝土的大楼板，大载墙上，这样构成的一个体系，叫剪力墙结构。为什么叫剪力墙结构，其实楼越高，风和载对它的推动越大，那么风的推动叫水平方向的推动，如房子，下面的是有约束的，上面的风一吹应该产生一定的摇摆的浮动，摇摆的浮动限制的非常小，靠竖向墙板去抵抗，风吹过来，板对它有一个对顶的力，使得楼不产生摇摆或者是产生摇摆的浮度特别小，在结构允许的范围之内，比如：风从一面来，那么板有一个相当的力与它顶着，沿着整个竖向墙板的高度上相当于一对的力，正好相当于一种剪切，相当于用剪子剪楼而且剪楼的力越往上剪力越大，因此，把这样的墙板叫剪力墙板，也说明竖向的墙板不仅仅承重竖向的力还应该承担水平方向的风和载，包括水平方向的地震力和风对它的一个推动。
框架-剪力墙结构也称框剪结构，这种结构是在框架结构中布置一定数量的剪力墙，构成灵活自由的使用空间，满足不同建筑功能的要求，同样又有足够的剪力墙，有相当大的刚度，框剪结构的受力特点，是由框架和剪力墙结构两种不同的抗侧力结构组成的新的受力形式，所以它的框架不同于纯框架结构中的框架，剪力墙在框剪结构中也不同于剪力墙结构中的剪力墙。因为，在下部楼层，剪力墙的位移较小，它拉着框架按弯曲型曲线变形，剪力墙承受大部分水平力，上部楼层则相反，剪力墙位移越来越大，有外侧的趋势，而框架则有内收的趋势，框架拉剪力墙按剪切型曲线变形，框架除了负担外荷载产生的水平力外，还额外负担了把剪力拉回来的附加水平力，剪力墙不但不承受荷载产生的水平力，还因为给框架一个附加水平力而承受负剪力，所以，上部楼层即使外荷载产生的楼层剪力很小，框架中也出现相当大的剪力。
筒体结构：主要抗侧力，四周的剪力墙围成竖向薄壁筒和柱框架组成竖向箱形截面的框筒，形成整体，整体作用抗荷由密柱高梁空间框架或空间剪力墙所组成，在水平荷载作用下起整体空间作用的抗侧力构件称为筒体（由密柱框架组成的筒体称为框筒；由剪力墙组成的筒体称为薄壁筒）。由一个或数个筒体作为主要抗侧力构件而形成的结构称为筒体结构，它适用于平面或竖向布置繁杂、水平荷载大的高层建筑。
随着人们对住宅，特别是高层住宅平面与空间的要求越来越高，原来普通框架结构的露梁露柱、普通剪力墙结构对建筑空间的严格限定与分隔已不能满足人们对住宅空间的要求。于是在原有剪力墙的基础上，吸收了框架结构的优点，逐步发展形成了能适应人们新的住宅观念的高层住宅结构型式，即“短肢剪力墙结构”和“异形柱框架结构”型式。这两种新的结构由于在很大程度上克服了普通框架与普通剪力墙结构的缺点，受到了建筑师的肯定，更得到了住户与房开商的欢迎，为此，本文对这两种新的高层住宅结构型式的受力特点、结构分析及构造要求进行阐述。
　　短肢剪力墙结构是指墙肢的长度为厚度的5-8倍剪力墙结构，常用的有“T”字型、“L”型、“十”字型、“Z”字型、折线型、“一”字型。
　　这种结构型式的特点是：
　　①结合建筑平面，利用间隔墙位置来布置竖向构件，基本上不与建筑使用功能发生矛盾；
　　②墙的数量可多可少，肢长可长可短，主要视抗侧力的需要而定，还可通过不同的尺寸和布置来调整刚度中心的位置；
　　③能灵活布置，可选择的方案较多，楼盖方案简单；
　　④连接各墙的梁，随墙肢位置而设于间隔墙竖平面内，可隐蔽；
　　⑤根据建筑平面的抗侧刚度的需要，利用中心剪力墙，形成主要的抗侧力构件，较易满足刚度和强度要求。
　　对短肢剪力墙结构的设计计算，因其是剪力墙大开口而成，所以基本上与普通剪力墙结构分析相同，可采用三维杆-系簿壁柱空间分析方法或空间杆-墙组元分析方法，前者如建研院的TBSA、TAT，广东省建筑设计院的广厦CAD的SS模块，后者如建研院的TBSSAP、SATWE，清华大学的TUS，广东省建院的SSW等。其中空间杆墙组元分析方法计算模型更符合实际情况，精度较高。虽然三维杆系-簿壁柱空间分析程序使用较早、应用较广，但对墙肢较长的短肢剪力墙，应该用空间杆-墙组元程序进行校核。
　　在进行以上分析后，按《高层建筑结构设计与施工规范》进行截面与构造设计，相对于异形柱结构，短肢剪力墙结构的理论与实践较为成熟，但这种结构在结构设计中仍然有需要引起重视的方面。
　　（1）由于短肢剪力墙结构相对于普通剪力墙结构其抗侧刚度相对较小，设计时宜布置适当数量的长墙，或利用电梯，楼梯间形成刚度较大的内筒，以避免设防烈度下结构产生大的变形，同时也形成两道抗震设防；
　　（2）短肢剪力墙结构的抗震薄弱部位是建筑平面外边缘的角部处的墙肢，当有扭转效应时，会加剧已有的翘曲变形，使其墙肢首先开裂，应加强其抗震构造措施，如减小轴压比，增大纵筋和箍筋的配筋率；
　　（3）高层短肢剪力墙结构在水平力作用下，显现整体弯曲变形为主，底部外围小墙肢承受较大的竖向荷载和扭转剪力，由一些模型试验反映出外周边墙肢开裂，因而对外周边墙肢应加大厚度和配筋量，加强小墙肢的延性抗震性能。短肢墙应在两个方向上均有连接，避免形成孤立的“一”字形墙肢；
　　（4）各墙肢分布要尽量均匀，使其刚度中心与建筑物的形心尽量接近，必要时用长肢墙来调整刚度中心；
　　（5）高层结构中的连梁是一个耗能构件，在短肢剪力墙结构中，墙肢刚度相对减小，连接各墙肢间的梁已类似普通框架梁，而不同于一般剪力墙间的连梁，不应在计算的总体信息中将连梁的刚度大幅下调，使其设计内力降低，应按普通框架梁要求，控制砼压区高度，其梁端负弯矩钢筋可由塑性调幅70%-80%来解决，按强剪弱弯，强柱弱梁的延性要求进行计算。
　　异形柱结构是指柱肢的截面高度与柱肢宽度的比值在2-4，相对于正方形与矩形柱而言是异形的柱子。它包括异形柱框架和异形柱框架剪力墙，常用的有“L”型、“T”型、“十”字型。
　　这种结构的特点是：
　　①由于截面的这种特殊性，使得墙肢平面内外两个方向刚度对比相差较大，导致各向刚度不一致，其各向承载能力也有较大差异；
　　②对于长柱（H/h>4）可以不考虑剪切变形的影响，控制轴压比较小时，受力明确，变形能力较好。而对短柱（H/h<4），剪切变形占有相当比例，构件变形能力下降。异形柱通常在短柱范围，且属薄壁构件，即使发生延性的弯曲形破坏，也因截面曲率M/EI或εcu/χ（εcu为砼的极限压应变，χ为截面受压区高度）较小，使弯曲变形性能有限，延性较差；
　　③异形柱由于是多肢的，其剪切中心往往在平面范围之外，受力时要靠各柱肢交点处核心砼协调变形和内力，这种变形协调使各柱肢内存在相当大的翘曲应力和剪应力，而该剪应力的存在，使柱肢易先出现裂缝，也使得各肢的核心砼处于三向剪力状态，它使得异形柱较普通截面柱变形能力低，脆性破坏明显；
　　④特别是异形柱不同于矩形柱，它存在着单纯翼缘柱肢受压的情况，其延性更差。由国内外大量的试验资料和理论分析，异形柱的破坏形态为：弯曲破坏、小偏压破坏、压剪破坏等，影响其破坏形态的因素有：荷载角、轴压比、柱净高与截面肢长比（剪跨比），配箍率以及箍筋间距S与纵筋直径D的比值等。由于其受力性能的复杂，设计中必须通过可靠的计算和必要的构造措施来保证其强度和延性。
二 浅谈钢筋混凝土构件最小配筋率
1.规范的规定
1.1《混凝土结构设计规范》GB50010 - 2002 （以下简称《规范》)第9.5.1规定:受弯构件纵向受力钢筋的最小配筋百分率( % )为012和45ft/fy中的较大值,并说明受弯构件一侧受拉钢筋的配筋率应按全截面面积扣除受压翼缘面积(b′f-b)h′f后的截面面积计算(即按矩形截面的全面积计算)。
1.2 《规范》第9.5.2条规定：对卧置于地基上的混凝土板，板中受拉钢筋的最小配筋率可适当降低，但不应小于0.15%。
1.3 《规范》第11.3.6规定：框架梁纵向受拉钢筋的最小配筋百分率( % )
抗震等级
梁支座
梁跨中
一级
0.004和0.8ft/fy的较大值
0.003和0.65ft/fy的较大值
二级
0.003和0.65ft/fy的较大值
0.0025和0.55ft/fy的较大值
三、四级
0.0025和0.55ft/fy的较大值
0.002和0.45ft/fy的较大值

2 非抗震混凝土梁抗弯性能及受拉纵筋最小配筋率的研究
匀质弹性材料梁加载时，其变形规律符合平截面假定（平截面在梁弯屈后仍保持平面），由于材料性能符合虎克定律（应力与应变成正比），受压区和受拉区的应力分布图形都是三角形。此外，梁的挠度与弯矩也将保持线性关系。
钢筋混凝土梁是由钢筋和混凝土两种材料所组成，且混凝土是非弹性、非匀质材料，抗拉强度又远小于其抗压强度，因而其受力性能有很大不同。研究钢筋混凝土梁的受弯性能，首先要进行梁加载试验。
素混凝土梁用作受弯构件是不能胜任的，因为它的抗拉强度与抗压强度相比只是很小一部分。所以，这种梁早在受压侧混凝土的强度得到充分利用之前，在很小的荷载作用下受拉一侧即先行破坏。
因此，钢筋应布置在受拉侧尽可能靠近最外受拉纤维处，但要符合钢筋的适当防火和防腐蚀的要求。在这样的钢筋混凝土梁中，弯矩引起的拉力主要由钢筋来承受，而混凝土通常只承受相应的压力。当作用在这样的梁上的荷载从零逐渐增加到使梁破坏时，可清楚地区分出几个不同性能的阶段。
在低荷载时，只要混凝土的最大拉应力小于抗拉强度，整个混凝土都有效地承受应力，中和轴的一侧受压而另一侧受拉。此外，与其相邻混凝土有相同变形的钢筋也承受拉力。在这一阶段混凝土中的所有应力都不大，且与应变成正比。

当荷载进一步增加，很快就达到混凝土的抗拉强度，钢筋混凝土梁拉区混凝土开裂后，全部拉力将由受拉筋负担，受弯钢筋应力σs显著增大。当配筋率过低时，混凝土一开裂σs超过其屈服强度，进入强化阶段甚至直接被拉断。这说明由于配筋率ρ过小，钢筋所能承受的拉力尚不足以负担原来由拉区混凝土所承受的拉力，即钢筋混凝土梁的Mu尚低于同样截面、同样混凝土强度的素混凝土梁的开裂弯矩Mcr。这种梁称为少筋梁，其破坏特征是直接被拉断，或者拉区混凝土突然出现一条很宽的裂缝，荷载迅速下降，尽管开裂后梁仍保留有一定的承载力，但梁已发生严重开裂下垂，这部分承载力实际上是不能利用的。少筋梁属于脆性破坏，既不经济，又不安全，故在建筑结构中不允许采用。为了防止这种严重损害构件工作质量的现象，可以考虑用“有实配受拉钢筋计算出的抗弯能力等于开裂弯矩”作为确定受拉钢筋最小配筋率的基本条件，即：
（1）
或者可以进一步写成
（2）
通过简化分析，则可以写成以下形式：
（3）
取值为0.45，此时，但考虑到依据我国对材料离散性的统计结果，将取为0.5可能更好些。

3 抗震混凝土梁抗弯性能及受拉纵筋最小配筋率的研究
根据抗震基本要求，当框架梁端在负弯矩或正弯矩作用下进入屈服后变形状态之后，都应保持其相应的对负弯矩或正弯矩的基本抗弯能力直到罕遇地震所引起的结构非弹性变形状态，或者说具有罕遇地震所需要的延性；同时，还应能通过其非弹性滞回性能耗散地震输入的能量，减小强震下的结构非弹性反应。但要保证梁端具有上述抗震性能，还有一个必须满足的条件，即上部纵筋和下部纵筋的数量都必须使由实际配筋算得的抗负弯矩能力 |Mua-|和抗正弯矩能力Mua+ 分别大于相应方向的截面开裂弯矩 |Mcr-|和Mcr+ ，即应满足 |Mua-|≥| Mcr-|和M+ua≥ Mcr+ 的基本要求。因为只有这样，当截面首次受到较大的组合负弯矩或组合正弯矩作用时，才能如图1a先开裂，后屈服，并保证形成屈服后符合抗震要求的滞回性能。
但是在工程中有可能出于某些原因而选用了过大的梁截面，使常遇地震下的组合弯矩小于截面在相应弯矩作用方向的开裂弯矩。这时，截面在该方向常遇地震组合弯矩作用下一般将不会开裂，但若钢筋数量仍按常遇地震组合弯矩确定，则一旦出现更大地震，使组合弯矩超过了截面开裂弯矩，并导致截面受拉区开裂，则由于开裂前原来由受拉区混凝土承受的拉力转由数量不足的受拉钢筋承担，钢筋将立即进入屈服后变形状态，且形成较大的塑性应变，在最不利情况下甚至被拉断。在图 1b 中给出了当上部钢筋配筋率偏低，即 | Mcr-| > | Mua-|时，截面开裂前后的梁端弯矩 - 转角曲线。
在图 1c 中则给出了当上部钢筋数量足够，但下部钢筋配筋率过低时的类似不利情况。从中可以清楚看出，开裂后截面抗弯能力的陡降以及随后的塑性变形迅速发育和甚至有可能导致的截面失效。鉴于一旦出现这种情况，梁端将在相应方向丧失受弯承载力，无法保证结构在后续动力反应过程中的延性和塑性耗能能力，因此，在抗震设计中应着力防止发生这种情况。具体办法是对正、负弯矩受拉钢筋规定适度的最小配筋率，以使由受拉钢筋形成的截面抗弯能力大于该弯矩作用方向的截面开裂弯矩；或者更准确地说，是保证以较高的概率实现M+ua>M+cr和|M-ua|>|M-cr|。

（b）当|My-|<|Mcr-|

（a）当 |My-|>|Mcr-|且|My+|>|Mcr+|时

（c）当|My-|>|Mcr-|但 My+<Mcr+ 时

]
图 1 梁端上、下纵筋配筋率不同情况下的 M -θ曲线

抗震框架梁纵向受拉钢筋的最小配筋百分率规范的具体取值见1.3。

4 基础最小配筋率的研究
《建筑地基基础设计规范ＧＢ５０００７－２００２》８．２．７ 条 ３ 款规定：基础底板的配筋，应按抗弯计算确定。《 混 凝 土 结 构 设 计 规 范
ＧＢ５００１０－２００２》９.５.２ 条规定：对卧置于地基板上的混凝土板，板中受拉钢筋的最小配筋率可适当降低，但不应低于0.15％ ；该条的条文说明又说是指“厚板 ”，多少厚度以上的板才能称 “ 厚板 ”规范并没有明确 。根据该取值，设备基础越厚配筋越高。该最小配筋率的取值没有考虑大体积混凝土设备基础的实际情况，按固定的最小配筋率取值势必会导致设备基础底板越厚配筋越大。而实事上由于大体积混凝土设备基础的基础较大，如果不考虑非荷载因素设备和最小配筋率的限制，设备基础配筋将很小；大体积混凝土设备基础中非荷载因素（如混凝土中的温度应力或混凝土的收缩）是不可忽略的，但这此因素对大体积设备基础最小配筋率的影响目还有待进一步研究。

5 总结
在过去很长的一段时间内，我国建筑结构各类混凝土构件受拉钢筋最小配筋率的规定与其他国家相比明显偏低，远未达到受拉混凝土开裂后受拉钢筋不致立即屈服的水平。原规范曾对受拉钢筋最小配筋率作了小幅度提高，但未从根本上改变最小配筋率偏低的状态。02规范的修改适当提高了受弯构件、偏心受拉构件的受拉钢筋最小配筋率。控制受弯构件、偏心受拉、轴心受拉构件的受拉钢筋的最小配筋率时，引入配筋特征值（ft/fy），反应了钢筋的最小配筋率与混凝土强度和钢筋强度的关系。
对于抗震框架梁受拉钢筋最小配筋率的取值我国规范取最小配筋率与抗震等级有关，也可以说与结构所在地区地震作用大小有关，而且支座和跨中（也就是指上部梁筋与下部梁筋）的最小配筋率取值不同；为了以足够高的概率实现受拉混凝土开裂后受拉钢筋不致立即屈服，有关文献建议用于我国规范的抗震框架梁受拉钢筋最小配筋率如下表：
抗震等级
梁端上部纵筋
梁全长下部纵筋
一、二级
0.004和0.8ft/fy的较大值
0.0035和0.7ft/fy的较大值
三、四级
0.003和0.65ft/fy的较大值
0.0025和0.55ft/fy的较大值
新规范中对于受弯构件的最小配筋率没有区分梁类构件和板类构件，现浇板混凝土强度等级偏高时，受拉钢筋用量常由最小配筋率控制，与原规范相比，用钢量增大幅度较大。这是有待进一步研究的问题。