巖土工程師輔導(dǎo)：鋼筋混凝土建筑工程結(jié)構(gòu)抗震思路(2)

　　三、保證結(jié)構(gòu)延性能力的抗震措施

　　合理選擇了結(jié)構(gòu)的屈服水準(zhǔn)和延性要求后，就需要通過抗震措施來保證結(jié)構(gòu)確實(shí)具有所需的延性能力，從而保證結(jié)構(gòu)在中震、大震下實(shí)現(xiàn)抗震設(shè)防目標(biāo)。系統(tǒng)的抗震措施包括以下幾個(gè)方面內(nèi)容：

　　1.“強(qiáng)柱弱梁”：人為增大柱相對(duì)于梁的抗彎能力，使鋼筋混凝土框架在大震下，梁端塑性鉸出現(xiàn)較早，在達(dá)到最大非線性位移時(shí)塑性轉(zhuǎn)動(dòng)較大;而柱端塑性鉸出現(xiàn)較晚，在達(dá)到最大非線性位移時(shí)塑性轉(zhuǎn)動(dòng)較小，甚至根本不出現(xiàn)塑性鉸。從而保證框架具有一個(gè)較為穩(wěn)定的塑性耗能機(jī)構(gòu)和較大的塑性耗能能力。

　　2.“強(qiáng)剪弱彎”：剪切破壞基本上沒有延性，一旦某部位發(fā)生剪切破壞，該部位就將徹底退出結(jié)構(gòu)抗震能力，對(duì)于柱端的剪切破壞還可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的局部或整體倒塌。因此可以人為增大柱端、梁端、節(jié)點(diǎn)的組合剪力值，使結(jié)構(gòu)能在大震下的交替非彈性變形中其任何構(gòu)件都不會(huì)先發(fā)生剪切破壞。

　　3.抗震構(gòu)造措施：通過抗震構(gòu)造措施來保證形成塑性鉸的部位具有足夠的塑性變形能力和塑性耗能能力，同時(shí)保證結(jié)構(gòu)的整體性。

　　這一系統(tǒng)的抗震措施理念已被世界各國所接受，但是對(duì)于耗能機(jī)構(gòu)卻出現(xiàn)了以新西蘭和美國為代表的兩種不完全相同的思路。首先，這兩種思路都是以優(yōu)先引導(dǎo)梁端出塑性鉸為前提。

　　新西蘭的抗震研究者認(rèn)為耗能機(jī)構(gòu)宜采用符合塑性力學(xué)中的“理想梁鉸機(jī)構(gòu)”，即梁端全部形成塑性鉸，同時(shí)底層柱底也都形成塑性鉸的“全結(jié)構(gòu)塑性機(jī)構(gòu)”。其具體做法是通過結(jié)構(gòu)分析得到各構(gòu)件組合內(nèi)力值后，對(duì)梁端截面就按組合彎矩進(jìn)行截面設(shè)計(jì);而對(duì)除底層柱底以外的柱截面，則用人為增大了以后的組合彎矩和組合軸力進(jìn)行設(shè)計(jì);對(duì)底層柱底截面則用增大幅度較小的組合彎矩和組合軸力進(jìn)行截面設(shè)計(jì)。通過這一做法實(shí)現(xiàn)在大震下的較大塑性變形中，梁端塑性鉸形成的較為普遍，底層柱底塑性鉸出現(xiàn)遲于梁端塑性鉸，而其余所有的柱截面不出現(xiàn)塑性鉸，最終形成“理想梁鉸機(jī)構(gòu)”。為此，這種方法就必須取足夠大的柱端彎矩增強(qiáng)系數(shù)。

　　美國抗震界則認(rèn)為新西蘭取的柱彎矩增強(qiáng)系數(shù)過大，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取了較小的柱彎矩增強(qiáng)系數(shù)，這一做法使結(jié)構(gòu)在大震引起的非彈性變形過程中，梁端塑性鉸形成較早，柱端塑性鉸形成的相對(duì)較遲，梁端塑性鉸形成的較普遍，柱端塑性鉸形成的相對(duì)少一些，從而形成“梁柱塑性鉸機(jī)構(gòu)”。

　　新西蘭抗震措施的好處在于“理想梁鉸機(jī)構(gòu)”完全利用了延性和塑性耗能能力較好的梁端塑性鉸來實(shí)現(xiàn)框架延性和耗散地震能量，同時(shí)因?yàn)槌讓又淄獾钠渌瞬怀霈F(xiàn)塑性鉸，也就不必再對(duì)這些柱端加更多的箍筋。但是這種思路過于受塑性力學(xué)形成理想機(jī)構(gòu)概念的制約，總認(rèn)為底層柱底應(yīng)該形成塑性鉸，這樣就對(duì)底層柱底提出了較嚴(yán)格的軸壓比要求，同時(shí)還要用足夠多的箍筋來使柱底截面具有所需的延性，此外，底層柱底如果延性不夠發(fā)生破壞很容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體倒塌。這些不利因素使該方法喪失了很大的優(yōu)勢(shì)。

　　因此很多研究者認(rèn)為不需要被塑性力學(xué)的機(jī)構(gòu)概念所限制，只要能在大震下實(shí)現(xiàn)以下的塑性耗能機(jī)構(gòu)，就能保證抗震設(shè)計(jì)的基本要求：

　　1.以梁端塑性鉸耗能為主;

　　2.不限制柱端塑性鉸出現(xiàn)(包括底層柱底)，但是通過適當(dāng)增強(qiáng)柱端抗彎能力的方法使它在大震下的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)離其塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力有足夠裕量;

　　3.同層各柱上下端不同時(shí)處于塑性變形狀態(tài)。

　　我國的抗震措施中對(duì)耗能機(jī)構(gòu)的考慮也基本遵循了這一思路，采用了“梁柱塑性鉸機(jī)構(gòu)”模式，而放棄了新西蘭的基于塑性力學(xué)的“理想梁鉸機(jī)構(gòu)”模式。

　　抗震設(shè)計(jì)中我們?yōu)榱吮苊鉀]有延性的剪切破壞的發(fā)生，采取了“強(qiáng)剪弱彎”的措施來處理構(gòu)件受彎能力與受剪能力的關(guān)系問題。值得注意的是，與非抗震抗剪破壞相比，地震作用下的剪切破壞是不同的。以梁構(gòu)件為例，在較大地震作用下，梁端形成交叉斜裂縫區(qū)，該區(qū)混凝土受斜裂縫分割，形成若干個(gè)菱形塊體，而且破碎會(huì)隨著延性增長(zhǎng)而加劇。由于交叉斜裂縫與塑性鉸區(qū)基本重合，垂直和斜裂縫寬度都會(huì)隨延性而增大?？拐鹣赂鶕?jù)梁端的受力特征，正剪力總是大于負(fù)剪力，正剪力作用下的剪壓區(qū)一般位于梁下部，但由于地震的往復(fù)作用，梁底的混凝土保護(hù)層可能已經(jīng)剝落，從而削弱了混凝土剪壓區(qū)的抗剪能力;交叉斜裂縫寬度比非抗震情況大，以及斜裂縫反復(fù)開閉，混凝土破碎更嚴(yán)重，從而使斜裂縫界面中的骨料咬合效應(yīng)退化;混凝土保護(hù)層剝落和裂縫的加寬又會(huì)使縱筋的銷栓作用有一定退化?？梢姡卣鹱饔孟?，混凝土抗剪能力嚴(yán)重退化，但是試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)箍筋的抗剪能力仍可以維持。

　　當(dāng)?shù)卣鹱饔迷絹碓叫r(shí)，梁端可能不出現(xiàn)雙向斜裂縫，而出現(xiàn)單向斜裂縫，裂縫寬度發(fā)育也從大于非抗震情況到接近非抗震情況，抗剪環(huán)境越來越有利。此外，抗震抗剪要求結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)在大震下預(yù)計(jì)達(dá)到的非彈性變形狀態(tài)之前不發(fā)生剪切破壞。因?yàn)榭蚣芗羟衅茐目偸前l(fā)生在梁端塑性鉸區(qū)，這就不僅要求在梁端形成塑性鉸前不發(fā)生剪切破壞，而且抗剪能力還要維持到塑性鉸的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到大震所要求的程度，這就需要更多的箍筋。同時(shí)，在梁端塑性變形過程中作用剪力并沒有明顯增大，也進(jìn)一步說明這里增加的箍筋不是用來增大抗剪強(qiáng)度，而是為了提高構(gòu)件在發(fā)生剪切破壞時(shí)所達(dá)的延性。

　　綜上所述，與非抗震抗剪相比，抗震抗剪性能是不同的，其性能與剪力作用環(huán)境，塑性區(qū)延性要求大小有關(guān)。我們可以采取以下公式來考慮抗震抗剪的強(qiáng)度公式：其中為混凝土抗剪能力，為箍筋抗剪能力，為由于地震作用導(dǎo)致的混凝土抗剪能力下降的折減系數(shù)，且隨著剪力作用環(huán)境、延性要求而改變。我國的抗震抗剪強(qiáng)度公式也以上面公式為基礎(chǔ)的，但是為設(shè)計(jì)方便，不同的烈度區(qū)取用了相同的公式，均取為0.6，與上面提到的混凝土抗剪能力隨地震作用變化而不同的規(guī)律不一致，較為粗略。

　　延性對(duì)抗震來說是極其重要的一個(gè)性質(zhì)，我們要想通過抗震措施來保證結(jié)構(gòu)的延性，那么就必須清楚影響延性的因素。對(duì)于梁柱等構(gòu)件，延性的影響因素最終可歸納為最根本的兩點(diǎn)：混凝土極限壓應(yīng)變，破壞時(shí)的受壓區(qū)高度。影響延性的其他因素實(shí)質(zhì)都是這兩個(gè)根本因素的延伸。如受拉鋼筋配筋率越大，混凝土受壓區(qū)高度就越大，延性越差;受壓鋼筋越多，混凝土受壓區(qū)高度越小，延性越好;混凝土強(qiáng)度越高，受壓區(qū)高度越低，延性越好(但如果混凝土強(qiáng)度過高可能會(huì)減小混凝土極限壓應(yīng)變從而降低延性);對(duì)柱子這類偏壓構(gòu)件，軸壓力的存在會(huì)增大混凝土受壓區(qū)高度，減小延性;箍筋可以提高混凝土極限壓應(yīng)變，從而提高延性，但對(duì)于高強(qiáng)度混凝土，受壓時(shí)，其橫向變形系數(shù)較一般混凝土明顯偏小，箍筋的約束作用不能充分發(fā)揮，所以對(duì)于高強(qiáng)度混凝土，不適于用加箍筋的方法來改善其延性。此外，箍筋還有約束縱向鋼筋，避免其發(fā)生局部壓屈失穩(wěn)，提高構(gòu)件抗剪能力的作用，因此箍筋對(duì)提高結(jié)構(gòu)抗震性能具有相當(dāng)重要的作用。根據(jù)以上規(guī)律，在抗震設(shè)計(jì)中為保證結(jié)構(gòu)的延性，常常采用以下措施：控制受拉鋼筋配筋率，保證一定數(shù)量受壓鋼筋，通過加箍筋保證縱筋不局部壓屈失穩(wěn)以及約束受壓混凝土，對(duì)柱子限制軸壓比等。

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