钢筋混凝土框架结构的抗震设计理念.pdf

煤炭工程 2 0 1 0年第 7期 钢筋混凝土框架结构 的抗震设计理念 王长军 ( 中煤国际工程设计研究总院 ( 北京华宇工程有限公司) ，北京1 0 0 1 2 0 ) 摘要：钢 筋混凝土框架结构体 系在工业与 民用建筑 中是一种广泛应用的结构类型 。对该类 结构在抗震设计 时应充分提高其整体的抗震能力。根据设计工作 中遇到的问题 ，概括地 总结 了钢 筋混凝土框架结构在抗震设计中的建筑布置、结构的抗震等级、结构构件的延性及有关强柱弱梁， 强剪弱弯等设计中应考虑的事项。 关键词 ：钢筋混凝土框架；抗震设计 ；结构的延性 中图分类号 ：T U 3 1 8 2 文献标识码 ：B 文章编号 ：1 6 7 1 0 9 5 9 ( 2 0 1 0) 0 7 - 0 0 2 4 - 0 2 啦 建 兰 2结 构 的 抗 震 等 级 计 成 具 有 较 大 空 间 的 各 类 建 筑 。钢筋混凝土框架结构在工 。 “ 一 业与民用建筑中是一种常见的结构类型，特别是随着社会 抗震等级确定是为了更好的对建筑物的抗震采取措施 ， 的进步和发展，在一些大中型、多功能的综合建筑应用更 抗震等级在钢筋混凝土构件的抗震设计 ， 应根据结构类型、 加广泛，在工业建筑中应用也很普遍。此类建筑结构设计 房屋高度和设防烈度采取不同的抗震等级，并应符合相应 中应遵循质量中心和刚度中心的重合。如设计 中由于功能 的计算和构造措施要求。 的区分和要求，质量中心和刚度中心的不重合，在地震作 在平面、立面不规则的建筑结构中，应进行水平地震 用下会产生较大的扭转效应 ， 设计中应高度重视，这是框 作用计算和内力调整，并应对薄弱部位采用有效的抗震构 架结构的主要特点。因此应充分提高其整体的抗震能力。 造措施 ， 需要根据具体情况适当提高承载力以推迟或减少 1 建 筑 设 计 布 置 原 则 羹 蔫 篙 誊 篓 在建筑设计中应符合抗震概念设计的要求 ，不宜采用 构房屋的抗震要求不仅与建筑重要性和地震烈度有关 。而 严重不规则设计方案。在抗震设计中建筑及抗侧力结构的 且与建筑结构的抗震能力有关 ，结构的抗震能力又与房屋 平面图布置应遵循平面和立面外型简单、规则、对称并应 高度和结构类型、主要抗侧力构件还是次要抗侧力构件等 具有良 好的整体性原则 ，合理的建筑布置对抗震起重要作 直接有关。结构在水平地震作用下，其内力和侧移随房屋 用。因为震害表明，建筑结构形式简单对称的建筑在地震 高度增长速度很快，房屋越高地震效应越大，不同结构类 时较不容易破坏。建筑布置的 “ 规则”包括了对建筑的平 型的抗侧力体系或构件对结构抗震能力的贡献不同，框架 面和立面外形尺寸 ， 抗侧力构件布置原则 ，结构的侧向刚 一 抗震墙结构 中框架的要求可低于纯框架结构中的框架， 度宜均匀变化，竖向抗侧力构件的截面和材料宜 自下而上 抗震墙结构中抗震墙的抗震要求可低于框架 一抗震墙结构 逐步减少避免抗侧力结构的侧 向刚度和承载力突变，质量 中抗震墙的抗震要求。 竺 乏 是 警。 3抗 震 结 构 的 延 性 及 结 构 中 设 计 原 则 建 筑 专 业 和 结 构 专 业 应 相 互 配 合 、协调，才能布置出合理 一 一 一 一一 。一 。 的布局。对抗震性 良好的建筑 ，在钢筋混凝土框架结构抗 对于抗震结构除承载力问题之外 ，还必须考虑的一 震设计时要遵循以下原则： 个重要 问题就是延性。结构在地震作用下 即使进入破坏 1 )平面易简单、规则、对称，减少偏心。 阶段 ，由于具有充分的延性性能将 意味着结构虽然会产 2 )刚度中心与质量中心尽量重合，否则应考虑其不利 生较大的变形 ，但是不会发生脆性破坏和倒塌。考虑到 影响。 地震区的结构设计应经济合理 ，延性性能成为一个极为 3 )质量大的设备宜布置在刚度中心较近的布位。 重要的问题 。因为现在建筑抗震设计规范的基本原则只 4 )不宜采用悬挑结构。 能用来设计在弹性范围内承担低于本地区多遇地震作用 5 )宜有多道抗震防线。 的结构 ，而在罕遇地震时，则需依靠屈服后可利用的延 收稿日期：2 0 0 91 21 7 作 者 简 介： 王 长 军 ( 1 9 6 3 一 ) 男， 北 京 人， 高 级 工 程 师， 国 家 注 册一 级 结 构工 程师， 1 9 8 9 午 业于 北 京 建筑 工 程学 院 工民建专业 ，主要从事建筑结构设计工作。 2 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年第 7期 煤炭工程 性 ，使得结构能够保存下来而不致倒塌 ，这就是延性设 计 的重要 意 义 。 延性性能是指结构或构件在承载力没有明显下降的情 况下能够承受很大的非弹性变形能力。一般结构的延性包 括：结构延性和构件延性 ，而结构延性包括总体延性和楼 层延性。构件延性要求一般都高于结构延性的要求，而构 件延性又取决于构件截面纵向配筋率，约束混凝土和防止 纵向钢筋压屈的箍筋配筋率，混凝土和钢筋的强度 以及轴 向荷载 的大小 。 构件破坏时的变形与屈服时变形 的比值称为构件的延 性，延性越大，则结构在地震作用下可以承受大的塑性变 形而不破坏倒塌，可以使地震作用更多地降下来。因此结 构的设计和配筋构造都要保证它具有足够的延性。因此 ， 结构要有良好的抗震性能，通常采取 以下措施保证结构的 延性 ： 1 )有足够的承载力来保证结构的强度； 2 )有足够的抗侧向力的刚度来保证结构的侧向位移 ； 3 )结构的自震周期应与地震的卓越周期错开 ； 4 )尽可能设置多道防线 ； 5 )在地震作用下节点承载力应大于相连构件承载力 ， 当构件屈服时 ，退化时，节点应保证承载力和刚度不变； 6 )合理控制结构的非弹性部位 ( 塑性铰区) ，实现合 理的机制 ； 7 )结构单元 之间应遵守牢 固连接 或彻底分离 的原则 ； 8 )底层应加强，弯矩考虑增大；地下室一层可考虑 延性 ； 9 )采用有效措施，防止早出现剪切、锚固、受压等脆 性破坏，因此采用 “ 约束 昆 凝土”是非常重要的措施 ； 1 0 )抗震设计 中应加强的就强，应弱的就弱，不得任 意加强。因此在设计不合理的任意加强以及在施工中以大 代小改变钢筋 ，都需要慎重考虑； 框架设计中应遵循 “ 强柱弱梁” 的原则，推迟柱端出 现塑性铰；还应满足 “ 强剪弱弯”的要求，防止过早发生 剪切破坏。为提高框架柱的延性，尚应控制柱的轴压 比不 要太大。 由于框架柱 的延性 比梁 的延 性小 ，一旦 在框架 柱 形成 塑性绞，就会产生很大的层间侧移直接危及结构的竖 向承 载力。因此在设计 中可以有 目的地增大柱端弯矩设计值， 体现出 “ 强柱弱梁”的原则 ，使得框架结构在水平地震作 用下梁先出现塑性铰。为了防止柱在弯压破坏前发生剪切 破坏，要求柱受剪承载力大于柱弯 曲屈服时实际达到的剪 力。“ 强剪弱弯”是保证构件的延性防止脆性破坏的重要 原则。 4 框架结构的底层柱底、角柱的设计及框架节点 框架结构的底层柱底的抗弯能力应适当提高，其原因： 框架结构的底层柱底过早 出现塑性铰，将影响整个框架 结构的变形能力，不利于结构持续吸收和耗散地震能量； 随着梁端塑性铰的出现结构发生塑性内力重分布，底层 柱的反弯点位置也将改变 ，而使底层柱底弯矩增大。因此， 按 建筑抗震设 计规范G B 5 0 0 1 12 0 0 1第 6 2 3条一、 二、三级框架结构 的底层，柱下面截面组合弯矩设计值应 分别乘以增大系数 1 5 、1 2 5和 1 1 5 。 框架结构中角柱也应适当提高，其考虑到角柱 由于地 震作用引起的内力较大且受力复杂，在设计中应增大弯矩 和剪力的设计值，对一、二、三级框架结构 ，当角柱内力 计算按两个主轴方 向分别考虑地震作用时其弯矩、剪力设 计值宜在调整后的弯矩、剪力设计值基础上在乘以不小于 1 1的增大系数。 框架节点是结构抗震的薄弱部位 ，在水平地震力作用 下，框架节点受到梁柱传来的弯矩、剪力和轴力作用，节 点核芯区复杂应力状态，地震时，一旦节点破坏，难以修 复和加固。因此应根据 “ 强节点” 的设计原则使得节点核 芯区的承载力强于与之相连的杆件的承载力设计值。 5结语 结构抗震设计一方面应按现行设计规范对结构进行必 要的计算 ，满足承载力和变形 的要求 ；另一方面还要采取 正确的构造措施，提高结构 的延性，防止结构倒塌。在进 行钢筋混凝土框架结构的抗震设计时，首先要有合理的满 足抗震要求的建筑布置 ，同时要有清楚 的抗震设计概念 ， 不仅要进行抗震理论计算，更要重视框架结构的构造要求 ， 确保框架结构的设计安全可靠。 参考文献 ： 1 龚思礼 建筑抗震设 计手册 ( 第二 版) M北京 ：中国建 筑工业 出版社 ， 2 0 0 2 2 王文栋 混凝土结构 构造手册 ( 第 三版) M北京 ：中国 建筑工业 出版 社 ，2 0 0 3 3 G B 5 0 0 1 1 2 0 0 1 ， 建筑抗震设计规范 s 4 王荣浩 浅析水 泥混 凝土 破坏机 理及 提高 其强度 措施 J 科技创新导报 ， 2 o o 8 ，( 2 7 ) 5 武树超浅谈影响水泥混凝 土强 度的 因索 J 中国新技术 新产 品 ， 2 0 1 0，( 0 1 )：9 O 6 周 明耀 ，杨鼎 宜，汪洋合成 纤维混凝 土材料的发展 与应用 J 水利与建筑 工程学 报 ， 2 0 o 3 ，( 0 4 ) ：1 4 7 胡洪 良建筑结构抗震 中的抗震控 制技术 J 攀枝花 大学 学报 ，1 9 9 8，( 0 1 ) 8 刘 谊 人 ，刘芝 主动 抗 震 的建 筑 J 建筑 工 人 ，2 0 0 0， ( O 4) ( 责任编辑章新敏) 2 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m