浅谈钢筋混凝土框架结构的静力弹塑性分析及延性设计.doc

浅谈钢筋混凝土框架结构的静力弹塑性分析及延性设计摘要：本文简述了静力弹塑性分析的基本原理及其在结构延性设计中的应用，以及钢筋混凝土框架结构在地震作用下的耗能机理。根据我国抗震设计的基本原理,阐述了钢筋混凝土框架结构的延性设计原则, 分别对框架结构的梁、柱及节点的延性设计进行了探讨。关键词：框架结构 Push_over分析 延性设计Elementary introduction to the Push_over analysis of the reinforced concrete frame structure and ductility designAbstract：The basic principles and usefulness of Push_over analysis was described briefly. And the mechanism of energy dissipation of the framework of the reinforced concrete structure in the earthquake was outlined as well. According to Chinas basic seismic design principles，ductility design principles of the reinforced concrete frame structure was described. And ductility design of beam, column and node of the framework was discussed.Keywords：Frame structure Push_over analysis ductility design一、概述目前，在我国的多高层建筑中,钢筋混凝土框架结构这种结构形式。因其具有结构形式简单，良好的延性和较强的整体性等优点而被广泛用于地震设防地区。结构延性的大小是罕遇地震下结构进入屈服阶段后，结构抗震能力优劣的重要表现。由于结构进入屈服阶段后已无承载力储备可言，为了抵御地震作用，只能靠发展塑性变形来吸收和消耗地震能量，从而达到结构抗倒塌的目的。目前的抗震结构均为超静定结构,超静定结构屈服破坏时会产生塑性铰,塑性铰的转动能力决定了结构的延性,因此,对抗震结构的延性设计主要集中在对结构构件塑性铰的研究设计上。Push_over分析方法对于屈服的构件采取的常用方法是屈服部分看作塑性铰来对待处理,对塑性铰的研究也是Push_over方法的一个重要内容,由此可见,结构的延性设计和Push_over方法在塑性铰问题上具有广阔的研究合作领域,使两者合理有效的工作成为国内外研究的热点课题。二、静力弹塑性分析静力弹塑性分析法，也称推覆分析法(Push_over analysis)是近年来在国外得到广泛应用的一种结构抗震能力评价的新方法，其应用范围主要集中于对现有结构或设计方案进行抗侧力能力的计算，从而得到其抗震能力的估计。这种方法从本质上说是一种静力非线性计算方法，与以往的抗震静力计算方法不同之处主要在于它将设计反应谱引入了计算过程和计算成果的工程解释。Push_over分析方法是一种近似简化法，实际上是一种反应谱分析法。它将沿高度为某种分布的水平力，静态、单调地施加在结构上，求得内力和侧移，判别结构的破坏状态；逐步增加这个水平力，使结构依次进入塑性，直到产生的位移超过限值或认为结构变为机构接近倒塌为止，从而求得恢复力位移曲线，称之为荷载增量分析。然后根据振型分解理论，通过单自由度弹性体系反应谱求得地震下的位移。Push_over分析不仅能够对结构在多遇地震作用下的弹性反应谱计算结果进行检验，更重要的是可以对结构在遭受罕遇地震后可能出现的破坏状况进行较精确的分析,比现行抗震规范下薄弱层(部位)弹塑性变形计算更进一步。与时程分析法相比,Push_over分析实施方便,概念清晰,同时也能使设计人员在一定程度上了解在强震作用下的反应,迅速找到薄弱环节。Push_over分析的关键问题是选择合理的侧向荷载分布模式国内外很多的学者都做过专门的研究了很多种不同的侧向荷载分布方式，但总体上可以分为两种：固定的侧向荷载分布方式和适应性的侧向荷载分布方式。在某些中，高振型对结构反应的影响较小且同时在不同侧向荷载分布方式作用下得到的结构破坏方式也相似，选择适合的固定的侧向荷载分布方式是可以对结构单元的变形要求提供较好的预测的。但当结构在地震作用中形成局部塑性机构而动力性质发生改变的时候,上述的固定的侧向荷载分布方式都不能够反映这种惯性力的重分布情况。而应用适应性的侧向荷载分布方式可以更好的反映惯性力随时间的变化。因而相对于固定分布方式而言,选用适应性的分布方式是较为合理的。所谓适应性的分布方式,是指根据加载过程中结构塑性铰的发展,不断调整侧向荷载的分布方式。通过结构的Push_over分析的阶段加载，可以清晰发现结构的塑性铰发展部位及发展过程。在钢筋混凝土结构中,塑性铰与延性有着很密切的关系，钢筋混凝土结构在罕遇地震作用下，结构的塑性铰发展合理与否直接体现结构的整体抗震性能及破坏形式。三、钢筋混凝土框架结构的塑性铰钢筋混凝土多层框架结构的组成构件框架梁和框架柱，当纵向受拉钢筋在某截面达到屈服后，在弯矩增加不多的情况下，截面的变形和曲率急剧增大，表明截面已进入屈服阶段，在该截面附近的混凝土，不论是受拉区还是受压区都产生很大的局部变形，受压区形成集中的塑性变形区域，当截面弯矩达到极限弯矩时，转角急剧增大，相当于出现一个“铰”， 这种允许钢筋混凝土多层框架某些部位所出现的塑性变形，被称之为塑性铰。塑性铰使该截面无限靠近的相邻截面产生沿弯矩增大方向发生有限相对转角。塑性铰的形成主要是由于纵向钢筋进入屈服阶段的应力不断增加、同时应变也继续增大、并且受压区混凝土产生塑性变形引起的，塑性铰的转动能力取决于混凝土的变形能力。钢筋混凝土多层框架梁和框架柱的塑性铰与桁架节点处的铰接节点不同，如果忽略其不大的摩擦力，桁架的铰不能传递任何弯矩，而只能不受限制的转动，但塑性铰能够传递相应于截面屈服的极限弯矩，只能在极限弯矩作用下使截面沿极限弯矩的方向作有限转动，因此说塑向铰是单向铰，其转动能力与混凝土的极限应变及配筋率有关。框架结构在抗震设计中允许在某些部位形成塑性铰，而不产生结构的局部脆性剪切破坏或局部受压破坏，因此这种结构在强烈的地震荷载作用下，不仅仍然具有一定承载能力，而且还具有承受较大的变形能力，并通过结构的变形来吸收和耗散地震能量，防止结构整体破坏。四、钢筋混凝土框架结构延性设计延性是指一个构件或结构体系在强度没有实质性降低的情况下，通过大幅度非弹性变形来耗散地震能量的能力。延性也可以简单地理解为，受弯构件在受拉钢筋屈服之前，不产生受剪或受压的脆性破坏，受压构件不产生受剪脆性破坏的能力。考虑结构延性进行设计有两个大的方向,一个是延性的确定性设计,另一个是延性的非确定性设计。确定性研究主要是指我们如何把延性指标具体化,如何对延性进行精确的计算。在这方面,很多学者和设计专家作了很多的研究工作但结果并不理想。延性的非确定性研究实际上就是如何更好的把延性的研究成果用于结构抗震的概念设计。比如,我们可以通过我们做的各种结构抗震分析的试验以及我们做的抗震理论研究分析各种结构和构件的延性主要受哪些因素的影响:截面尺寸、材料性质、剪跨比、轴压比、体积配筋率、箍筋形式等各种因素都可能影响结构的延性。钢筋混凝土多层框架具有良好的抗震性能，是由其具有良好的延性和整体性保证的，一方面在地震荷载作用下，当构件进入屈服阶段后，如果结构具有良好的塑性变形能力，则能通过其结构的塑性变形，来吸收地震作用所产生的能量，使结构仍能维持一定的承载能力，说明结构具有良好的延性。另一方面，钢筋混凝土多层框架的多次超静定结构体系，使之形成一种整体性非常良好的节点刚性连接的几何不变结构，能允许框架的某些部位出现塑性变形以后，仍然具有承载能力而结构不致倒塌破坏。在设防水准和罕遇水准的地震作用下结构会出现相应的非弹性反应,这就要求结构具有相应的延性。我国的钢筋混凝土设计规范没有对抗震结构的延性系数提出具体要求,但是在计算和构造的规定中给出了一定的措施,也就是我们通常所说的概念设计。这些具体措施包括如下一些内容。1.强柱弱梁的结构形式强柱弱梁的结构形式,有利于发挥梁的良好塑性转动能力,柱原则上不出现塑性铰,尽量保证框架柱处于弹性变形。在钢筋混凝土框架结构中,除去底层柱之外的所有楼层中都基本上保持弹性不屈服。在底层柱的底部部位允许以这些竖向构件稳定的、得到控制的塑性铰或土壤变形和基础构件在地基上摇动的方式形成明显的转动。但应严格避免塑性铰大量出现在柱端,形成柱铰机制,这种情况下塑性铰的数目少,总的耗能能力小,在房屋侧向位移相同的情况下,柱铰机制将塑性变形集中在一层,使该层比在梁铰机制下有大得多的塑性铰转动,这样可能导致结构某层的层间位移偏大,形成薄弱层,容易导致房屋倒塌。现代抗震设计标准尽力设法将结构的延性需要与耗能能力分散给所有的梁,并通过加强竖向构件,使竖向构件除底层底部外的其他部位均保持弹性不屈服来避免形成薄弱层。为此,通常是把柱的抗弯能力设计得更强。柱的设计弯矩是在设计地震作用的结构线弹性分析结果基础上适当人为增大得到的,或者是根据同一个节点的各根梁端实际抗弯能力(还应考虑现浇板可能具有的作用)进行级差系数调大导出。而框架梁端的正截面设计是按照在设计地震作用与准永久重力荷载组合下的结构线弹性分析求得的弯矩来进行的。这些设计原则在混凝土结构设计规范或高规中均有相应的要求。2.强剪弱弯的设计原则延性设计时应避免结构在达到所需的变形或所要抵抗的弯矩之前,过早地出现脆性剪切破坏,构件截面发生非延性失效。在框架结构中不发生梁、柱的先期剪切失效和梁柱节点核心区的剪切失效。如果说“强柱弱梁”措施具有全局性意义,“强剪弱弯”措施一般只有局部性质。通常是通过使构件相应部位的抗剪能力得到一定的人为增强来实现这一要求。当柱梁的级差系数较大时,柱在动力反应的过程中原则上不出现塑性铰,柱端作用剪力只需要在设计计算所得的组合剪力值基础上,考虑塑性铰出现过程中的内力重分布和非弹性高振型反应造成的柱端剪力增大的可能性。剪力增大的幅度通常远没有弯矩大。只有当地震作用占比重较大或柱弯矩增大系数取值较小时,才可能在梁、柱两端同时出现塑性铰,这时柱的设计剪力可以按梁端实配钢筋对应的屈服弯矩计算。梁的抗剪能力计算公式一般以梁端纵筋先屈服为条件,随着预计达到的梁端非弹性转角(延性要求)的增大,抗剪能力逐步下降。其中还应考虑塑性铰区在两个方向交替弯剪过程中发生的剪切滑移的可能性和应该采取的构造措施。由于梁上下纵筋数量不一样,故两个方向交替弯剪的作用力大小也不一样。柱端在两个交替受力方向分别形成塑性铰时,因纵筋屈服后塑性铰区非弹性变形很大,弯曲正裂缝和斜裂缝开展更宽,混凝土的骨料咬合作用和纵筋的销栓作用均有所削弱，更加由于剪压区混凝土在交替受力下的破碎,混凝土剪压区的抗剪能力也进一步削弱，而且这些削弱作用都是随交替塑性变形的增大而加重的。3.其他延性构造措施要形成耗能性良好的塑性铰侧移机构,就必须通过一系列的构造措施来保证可能出现塑性铰的各部位在强震作用下具有足够的塑性变形能力。这就要靠精心的构造设计来实现。对于梁端潜在的塑性铰区,主要通过控制受拉纵筋配筋率,限制混凝土受压区高度,布置必要的受压钢筋,以及通过箍筋约束核心混凝土和纵筋来保证其延性性质。对于“梁柱铰混合机构”的柱端塑性铰区以及“梁铰机构”中一般都要出现的底层柱底塑性铰区,则通过限制柱子轴压比来防止小偏压破坏,同时通过加密箍筋来加强对核心区混凝土及纵筋的约束,保证柱子具有必要的延性性质。五、结语到目前为止,Push_over分析方法作为一种新兴的简化非线性分析方法,在国内外都得到了广泛的应用。在它的使用过程中,处处体现着结构延性设计的思想,同时它也成为结构延性设计中的一个重要而有效的分析方法。钢筋混凝土结构的延性设计中，概念设计体现着举足轻重的作用，本文简要地介绍了钢筋混凝土结构抗震的延性概念设计方法,对于理解规范条文及进行工程实践中的概念设计具有参考价值。参考文献1 王力,李红玲.静力弹塑性设计方法(pushover)的原理和改进J.山西建筑2003(12)2 张巍，孟少平.混凝土结构基于位移的抗震能力设计J.工程抗震，2002(9).3 张敏.钢筋混凝土框架结构的延性抗震设计J.桂林工学院学报，2004(1).4 李平昌,雷汲川.钢筋混凝土结构抗震的延性设计J.四川建筑，2004(2)