钢筋混凝土框架结构的延性抗震设计.pdf

第 3 1 卷 第 4期 有 色 冶 金 设 计 与 研 究 2 0 1 0矩 8 月 钢筋混凝土框架结构的延性抗震设计 吴 涛 ( 中国瑞林工程技术有限公司， 江西南昌 3 3 0 0 0 2 ) 摘 要 分析了结构延性在抗震设计中的重要性及其作用， 探讨了影响结构延性的主要 因素以及结构延性 的抗震设计。事实证明， 结构抗震的本质就是延性， 提高延性可以增加结构抗震潜力， 增强结构抗倒塌能力。 关键词 延性； 脆性破坏； 塑性破坏； 框架结构； 抗震设计 中图分类号 ： T U 3 7 5 4 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 4 3 4 5 ( 2 0 1 0 ) O 4 o 0 3 4 - o 2 As e i s mi c De s i gn o f Re i nf o r c e d Co nc r e t e Fr a m e St r u c t ur e Duc t i l i t y W U Ta o ( C h i n a N e r i n E n g i n e e r i n g C o ， L t d ， N a n c h a n g , J i a n g x i 3 3 0 0 0 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t T h i s a r t i c l e a n a l y z e d t h e i mp o r t a n c e a n d f u n c t i o n o f s t r u c t u r e d u c t i l i t y i n a s e i s mi c d e s i g n a n d d i s c u s s e d t h e ma i n i n fl u e n c e hc t o m o f s t r u c t u r e d u c t i l i t y a n d t h e a s e i s mi c d e s i g n o f s t r u c t u r e d u c t i l i t y T h e r e s u l t i n d i c a t e d t h a t t h e e s s e n c e o f s t r u c t u r e e a rt h q u a k e r e s i s t a n c e i s d u c t i l i t y R a i s i n g t h e d u c t i l i t y c a n i n c r e a s e t h e p o t e n t i a l o f s t ruc t u r e e a r t h q u a k e r e s i s t a n c e a n d s t r e n g t h e n t h e a b i l i t y o f s t ruc t u r e r e s i s t a n c e t o c o l l a p s e Ke y wo r d u c t i l i t y ； b r i t t l e f a i l u r e ； d u c t i l e f r a c t u r e ； fl a me s t ruc t u r e ； a s e i s mi c d e s i g n 1 结构延性在抗震中的重要性及作用 钢筋混凝土框架结构具有 良好的抗震性能然 而 未经合理设计的框架结构会在地震作用下产生较严 重的震害。 当所承受荷载增加到一定程度时。首先受拉 区混凝土会出现裂缝 导致非弹性变形田 ； 然后受拉钢 筋屈服 受压区高度减小 混凝土被压碎 构件最终遭到 破坏。 在这过程中， 构件的承载能力没有多大变化 但其 变形的大小却决定了破坏的性质， 见图 1 。 0 q b yI Ay 0“ 1 u 图 1 M- A( ) 曲线 收稿日期： 2 0 1 0 - 0 4 - 1 5 作者简介： 吴涛f 1 9 8 1 1 ， 男， 主要从事结构设计工作。 图 1 为钢筋砼受弯构件的 f 曲线， 是屈 服变形_ u 是极限变形。由图可知， 结构的廷 I生和结构 的强度同等重要 ， 提高延性可以增加结构抗震潜力， 增 强结构抗倒塌能力。 延性结构通过塑性铰区域的变形， 能够有效地吸收和耗散地震能量 ： 当结构设计成为延 性结构时- 由于塑性变形可以耗散地震能量， 结构变形 虽然会加大 但结构承受的地震作用不会很快上升， 内 力也不会再加大闺 此可降低对结构的承载力要求； 此 外 延性可以使超静定结构的内力得以充分重分布， 采 用塑性 内力重分布方法设计时同 样也可以节约钢筋 用量， 取得较好的经济效果阁 。 延性好的结构的破坏称 之为塑性破坏， 延性差的结构的破坏称之为脆性破坏， 塑性破坏能提前给人以预兆，符合结构设计理论(表 1 ) 。 表 1 结构延性的作用 项 目 内 容 1 保证足够的变形能力， 防止发生脆性破坏 2 承 受某些偶然因素的作用， 可作为内力和变形的安全储备 3 实现塑性 内力重分布 4 有利于结构抗震 第 4期 钢筋混凝土框架结构的延性抗震设计 3 5 2 影响结构延性 的主要 因素 框架结构是 由梁 、 板、 柱 以及节点 四个部分组成， 其中梁 、 柱以及节点的廷 生 决定 了整个框架结构的延 性。因此。只要保证柱、 梁和节点的廷 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同 。 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廷 的主要因素见表 2 。 表 2影响梁截面延性的主要因素 项 目 内 容 梁截面要求： 梁 宽不宜小于柱宽的 1 2 ， 且不 2 0 0 ， 梁 的高 宽比不 宜 4 梁的跨 高比不宜 4 梁纵 筋配筋率 ： 通过 限制受 拉配筋 率可 以避免剪 跨 比较 2 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 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。 3 框架结构 的延性抗震设计 从以上内容可以看出 结构延性在结构的抗震 中 起着非常重要的作用， 其与结构的承载能力同等重要。 因此。 位于抗震区的建筑必须考虑其延性， 进行延性抗 震设计用 以抵抗地震作用 。 钢筋混凝土材料具有双重 性 如果设计合理，尽量消除或减少混凝土膪I生 性质的 危害 充分发挥钢筋塑性性能， 可以实现廷 I生 结构。 根据 震害以及近年来国内外试验研究资料廷 生 框架设计 时大致上应符合以下原则。 f 1 1 强柱弱梁设计原则控制塑性铰的位置。 在 地震作用下， 框架中塑性铰要出现在梁上。 而不允许 出 现在梁的跨中。 梁的跨中出现塑性铰将导致局部破坏见 图 2 、 图 3 。 不允许 图2框架局部破坏 雳 f a )强柱 弱梁型 L b )强梁弱 柱型 图 3 框架破坏机构图 由图 3可以看出， 在框架结构 中， 塑性铰出现的位 置或顺序不同 将使框架结构产生不同的破坏形式。 图 3 所示是一个强梁弱柱型结构， 塑性铰首先出现在柱 中， 当某薄弱层柱的上下端均出现塑性铰时，该层就成 为几何可变体系从而引起上部结构的倒塌。 这种结构 破坏只跟最薄弱层柱的强度和延性性能有关，其它各 层梁柱的承载能力和耗能能力均没有发挥作用。图 3 f a 1 是一个强柱弱梁型结构， 塑性铰首先 出现在梁中， 当 部分梁端甚至全部梁端均出现塑性铰时 结构仍能继 续承受外荷载， 而只有 当柱子底部也出现塑性铰时， 结 构才被破坏。 由此可知。柱中出现塑性铰，不易修复而且 容易引起结构倒塌； 而若塑性铰出现在梁端，却可以使 结构在破坏前有较大的变形， 吸收和耗散较多的地震 能量 因而具有较好的抗震性能。 此外。 由于柱是压弯构 件， 较大的轴压比将使柱的廷 生 下降， 而梁是受弯构件， 比较容易实现高延性 比要求， 因此， 梁的延性远大于柱 的廷I 生。 f 2 ) 梁柱的延性设计。要使结构具有延性，就必需 保证框架梁柱有足够的延性。 而梁柱的延性是以其截 面塑性铰的转动能力来度量的。 因此框 架结构抗震设 计的关键是梁柱塑性铰设计。 f 3 ) 强节点弱构件设计原则。由于节点区的受力状 况非常复杂。 所以在结构设计时只有保证各节点不 出 现脆 眭剪切破坏 才能使梁 、 柱充分发挥其承载能力和 ( 下转第 3 8页) 3 8 有 色 冶 金 设 计 与 研 究 第 3 1 卷 3 2 废水 系统 在车站内沿线路坡度的最低点设一座废水泵房 ， 内设潜水排污泵 2台， 平时一用一备 ， 消防时同时启 动， 废水集水池的有效容积不应小于最大一台排水泵 l 5 2 0 ra i n的出水量。本站消防废水、 结构渗漏水、 车 站冲洗水等废水由每层地漏汇集， 经排水立管引入站 内线路道床排水沟后流入车站废水泵房内的废水集 水池。废水由潜水排污泵提升至地面排水压力井消能 后 ， 排入市政排水系统。地下结构渗水量各地有较大 差异 ， 需根据实际情况调查取得。由于该地铁车站地 处南方城市 ， 地下水位较高 ， 结构渗水及时有效排放 对车站整洁卫生安全运行尤为重要 ， 故该站地下结构 渗水量按 0 5 L ( m 2 d ) 计。 3 3 污水系统 本站站厅层设有一处工作人员卫生问 站台层设 有一处公共卫生问和污水泵房， 各卫生问污水经管道 汇流至污水泵房， 通过密闭式污水提升装置提升至地 面排水压力井消能后， 再排人市政污水系统。 密闭污水 提升装置是一种新型组合式提升设备 其优点是可避 免气体、 异味泄漏。 保持站内环境整洁卫生。全套装置 由污水泵和集水箱f 含进 出水管 、 通风管接口) 、 手动隔 膜泵 、 液位控制器以及接口所需的弹性连接件 、 闸阀、 止回阀、 弯管等部分组成， 控制柜由厂家配套提供 其污 水泵有 自动及手动控制功能， 停 电时可利用手动隔膜 泵进行人工提升。 4 灭火器设置 车站公共区及设备区设置灭火器箱， 采用 5 k g的 磷酸铵盐干粉灭火器。配置和数量按 建筑灭火器配 置设计规范 ( G B 5 0 1 4 0 2 0 0 5 ) 求计算确定， 等级为严 重危险级。除消火栓箱内配置的灭火器外 不能满足 规范要求的区域应增加灭火器箱。另外。 本站在站厅、 站台等公共区附近配置 自救面具 2 套。 5 结 语 给排水系统是地铁内的重要系统之一。 对地铁各 系统安全正常高效投入运营和乘客安全出行起着至 关重要的作用。如何利用现有资源建立安全可靠、 经 济节能、 配置合理的给排水系统。 还需要在实践中不断 探索和改进。 参 考文献 1 】铁道第二勘察设计院地铁工程设计指南 M I 北京： 中国铁道出版社， 2 0 0 6 I 2 1 G B 5 0 1 5 7 2 0 0 3 地铁设计规范圈 ( 上接第 3 5 页) 变形能力问 ， 即在梁、 柱塑性铰顺序出现完成之前。 节点 区不能过早破坏。 实际设计中。 为了保证框架结构的延 性， 要依据抗震设计规范中抗震等级对构件本身不同 性质 的承载力或构件问的相对的承载力进行 内力调 整， 并依据规定的构造要求来达到延性要求。 内力调整 系数依据抗震等级不同而异： 一级抗震等级以实际配 筋为基础进行内力调整； 二、 三级抗震等级在设计内 力的基础上进行调整。 而构造要求。 则根据不同的抗震 等级。规定出截面形式、 尺寸限制、 材料规格、 配筋率以 及构造形式等。 4 结 语 综上所述 ， 结构抗震的本质就是延性， 框架结构 的梁、 柱以及节点的延性又是决定整个框架结构延性 的关键。因此要想提高框架结构的抗震能力就必须采 用合理的设计方法， 使其具有足够的延性。 参考 文献 【 1 G B 5 O 0 1 0 - 2 0 0 2 ，混凝土结构设计规范阎 2 G B 5 0 0 1 1 2 0 o 1 ，建筑抗震设计规范 s J G J 3 - 2 0 0 2 高层建筑混凝土结构技术规程网 【4 J唐九如钢筋混凝土框架节点抗震【 M 】 南京东南大学出版扯 1 9 8 9