对钢筋混凝土建筑结构抗震思路

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对钢筋混凝土建筑结构抗震思路

山东茂隆新材料 2020-11-16 2333


  一、抗震设计思路发展历程

  随着建筑结构抗震相关理论研究的不断发展,结构抗震设计思路也经历了一系列的变化。

  最初,在未考虑结构弹性动力特征,也无详细的地震作用记录统计资料的条件下,经验性的取一个地震水平作用(0.1倍自重)用于结构设计。到了60年代,随着地面运动记录的不断丰富,人们通过单自由度体系的弹性反应谱,第一次从宏观上看到地震对弹性结构引起的反应随结构周期和阻尼比变化的总体趋势,揭示了结构在地震地面运动的随机激励下的强迫振动动力特征。但同时也发现一个无法解释的矛盾,当时规范所取的设计用地面运动加速度明显小于按弹性反应谱得出的作用于结构上的地面运动加速度,这些结构大多数却并未出现严重损坏和倒塌。后来随着对结构非线性性能的不断研究,人们发现设计结构时取的地震作用只是赋予结构一个基本屈服承载力,当发生更大地震时,结构将在一系列控制部位进入屈服后非弹性变形状态,并靠其屈服后的非弹性变形能力来经受地震作用。由此,也逐渐形成了使结构在一定水平的地震作用下进入屈服,并达到足够的屈服后非弹性变形状态来耗散能量的现代抗震设计理论。

  由以上可以看出,结构抗震设计思路经历了从弹性到非线性,从基于经验到基于非线性理论,从单纯保证结构承载能力的“抗”到允许结构屈服,并赋予结构一定的非弹性变形性能力的“耗”的一系列转变。

  二、现代抗震设计思路及关系

  在当前抗震理论下形成的现代抗震设计思路,其主要内容是:

  1.合理选择确定结构屈服水准的地震作用。一般先以一具有统计意义的地面峰值加速度作为该地区地震强弱标志值(即中震的),再以不同的r(地震力降低系数)得到不同的设计用地面运动加速度(即小震的)来进行结构的强度设计,从而确定了结构的屈服水准。

  2.制定有效的抗震措施使结构确实具备设计时采用的r所对应的延性能力。其中主要包括内力调整措施(强柱弱梁、强剪弱弯)和抗震构造措施。

  现代抗震设计理念是基于对结构非弹性性能的研究上建立起来的,其核心是关系,关系主要指在不同滞回规律和地面运动特征下,结构的屈服水准与自振周期以及最大非弹性动力反应间的关系。其中r为弹塑性反应地震力降低系数,简称地震力降低系数;而为最大非弹性反应位移与屈服位移之比,称为位移延性系数;t则为按弹性刚度求得的结构自振周期。

  60年代开始,研究者在滞回曲线为理想弹塑性及弹性刚度始终不变的前提下,通过对不同周期,不同屈服水准的非弹性单自由度体系做动力分析,得到了有关弹塑性反应下最大位移的规律:对t大于1.0秒的体系适用“等位移法则”即非弹性反应下的最大位移总等于同一地面运动输入下的弹性反应最大位移。对于t在0.12-0.5秒之间的结构,适用“等能量法则”即非弹性反应下的弹塑性变形能等于同一地震地面运动输入下的弹性变形能。当“等能量原则”适用时,随着r的增大,位移延性需求的增长速度比“等位移原则”下按与r相同的比例增长更快。由以上规律我们可以看出,如果以结构弹性反应为准,把结构用来做承载能力设计的地震作用取的越低,即r越大,则结构在与弹性反应时相同的地震作用下达到的非弹性位移就越大,位移延性需求就越高。这意味着结构必须具有更高的塑性变形能力。规律初步揭示出不同弹性周期的结构,当其弹塑性屈服水准取值大小不同时,在同一地面运动输入下屈服水准与所达到的最大非弹性位移之间的关系。也揭示出了延性能力和塑性耗能能力是屈服水准不高的结构在较大地震引起的非弹性动力反应中不致发生严重损坏和倒塌的主要原因。让人们认识到延性在抗震设计中的重要性。

  之所以存在上诉的规律,我们应该注意到钢筋混凝土结构的一些相关特性。首先,通过人为措施可以使结构具有一定的延性,即结构在外部作用下,可以发生足够的非线性变形,而又维持承载力的属性。这样就可以保证结构在进入较大非线性变形时,不会出现因强度急剧下降而导致的严重破坏和倒塌,从而使结构在非线性变形状态下耗能成为可能。其次,作为非线弹性材料的钢筋混凝土结构,在一定的外力作用下,结构将从弹性进入非弹性状态。在非弹性变形过程中,外力做功全部变为热能,并传入空气中耗散掉。我们可以进一步以单质点体系的无阻尼振动来分析,在弹性范围振动时,惯性力与弹性恢复力总处于动态平衡状态,体系能量在动能、势能间不停转换,但总量保持不变。如果某次振动过大,体系进入屈服后状态,则体系在平衡位置的动能将在最大位移处转化为弹性势能和塑性变形能两部分,其中,塑性变性能将耗散掉,从而减小了体系总的能量。由此我们可以想到,在地震往复作用下,结构在振动过程中,如果进入屈服后状态,将通过塑性变性能耗散掉部分地震输给结构的累积能量,从而减小地震反应。同时,实际结构存在的阻尼也会进一步耗散能量,减小地震反应。此外,结构进入非弹性状态后,其侧向刚度将明显小于弹性刚度,这将导致结构瞬时刚度的下降,自振周期加长,从而减小地震作用。

  随着对规律认识的深入,这一规律已被各国规范所接受。在抗震设计时,对在同一烈度区的同一类结构,可以根据情况取用不同的r,也就是不同的用于强度设计的地震作用。当r取值较大,即用于设计的地震作用较小时,对结构的延性要求就越严;反之,当r取值较小,即用于设计的地震作用较大时,对结构的延性要求就可放松。

  目前,国际上逐步形成了一套“多层次,多水准性态控制目标”的抗震理念。这一理念主要含义为:工程师应该选择合适的形态水准和地震荷载进行结构设计。建筑物的性态是由结构的性态,非结构构件和体系的性态以及建筑物内容物性态的组合。目前性态水准一般分为:损伤出现(damageonset)、正常运作(operational)、能继续居住(countinuedoccupancy)、可修复的(repairable)、生命安全(lifesafe)、倒塌(collapse)。性态目标指建筑物在一定程度的地震作用下对所期望的性态水准的表述。对建筑抗震设计应采用多重性态目标,比如美国的“面向2000基于性态工程的框架方案”曾对一般结构、必要结构、对安全起控制作用的结构分别建议了相应的性态目标――基本目标(常遇地震下完全正常运作,少遇地震下正常运作,罕遇地震下保证生命安全,极罕遇地震下接近倒塌)、必要目标(少于地震下完全正常运作,罕遇地震下正常运作,极罕遇地震下保证生命安全)、对安全其控制作用的目标(罕遇地震下完全正常运作,极罕遇地震下正常运作)。对重要性不同的建筑,如协助进行灾害恢复行动的医院等建筑,应该按较高的性态目标设计,此外,也可以针对甲方对建筑提出的不同抗震要求,选择不同的性态目标。

  三、保证结构延性能力的抗震措施

  合理选择了结构的屈服水准和延性要求后,就需要通过抗震措施来保证结构确实具有所需的延性能力,从而保证结构在中震、大震下实现抗震设防目标。系统的抗震措施包括以下几个方面内容:

  1.“强柱弱梁”:人为增大柱相对于梁的抗弯能力,使钢筋混凝土框架在大震下,梁端塑性铰出现较早,在达到最大非线性位移时塑性转动较大;而柱端塑性铰出现较晚,在达到最大非线性位移时塑性转动较小,甚至根本不出现塑性铰。从而保证框架具有一个较为稳定的塑性耗能机构和较大的塑性耗能能力。

  2.“强剪弱弯”:剪切破坏基本上没有延性,一旦某部位发生剪切破坏,该部位就将彻底退出结构抗震能力,对于柱端的剪切破坏还可能导致结构的局部或整体倒塌。因此可以人为增大柱端、梁端、节点的组合剪力值,使结构能在大震下的交替非弹性变形中其任何构件都不会先发生剪切破坏。

  3.抗震构造措施:通过抗震构造措施来保证形成塑性铰的部位具有足够的塑性变形能力和塑性耗能能力,同时保证结构的整体性。

  这一系统的抗震措施理念已被世界各国所接受,但是对于耗能机构却出现了以新西兰和美国为代表的两种不完全相同的思路。首先,这两种思路都是以优先引导梁端出塑性铰为前提。

  新西兰的抗震研究者认为耗能机构宜采用符合塑性力学中的“理想梁铰机构”,即梁端全部形成塑性铰,同时底层柱底也都形成塑性铰的“全结构塑性机构”。其具体做法是通过结构分析得到各构件组合内力值后,对梁端截面就按组合弯矩进行截面设计;而对除底层柱底以外的柱截面,则用人为增大了以后的组合弯矩和组合轴力进行设计;对底层柱底截面则用增大幅度较小的组合弯矩和组合轴力进行截面设计。通过这一做法实现在大震下的较大塑性变形中,梁端塑性铰形成的较为普遍,底层柱底塑性铰出现迟于梁端塑性铰,而其余所有的柱截面不出现塑性铰,最终形成“理想梁铰机构”。为此,这种方法就必须取足够大的柱端弯矩增强系数。

  美国抗震界则认为新西兰取的柱弯矩增强系数过大,根据经验取了较小的柱弯矩增强系数,这一做法使结构在大震引起的非弹性变形过程中,梁端塑性铰形成较早,柱端塑性铰形成的相对较迟,梁端塑性铰形成的较普遍,柱端塑性铰形成的相对少一些,从而形成“梁柱塑性铰机构”。

  新西兰抗震措施的好处在于“理想梁铰机构”完全利用了延性和塑性耗能能力较好的梁端塑性铰来实现框架延性和耗散地震能量,同时因为除底层柱底外的其它柱端不出现塑性铰,也就不必再对这些柱端加更多的箍筋。但是这种思路过于受塑性力学形成理想机构概念的制约,总认为底层柱底应该形成塑性铰,这样就对底层柱底提出了较严格的轴压比要求,同时还要用足够多的箍筋来使柱底截面具有所需的延性,此外,底层柱底如果延性不够发生破坏很容易导致结构整体倒塌。这些不利因素使该方法丧失了很大的优势。

  因此很多研究者认为不需要被塑性力学的机构概念所限制,只要能在大震下实现以下的塑性耗能机构,就能保证抗震设计的基本要求:

  1.以梁端塑性铰耗能为主;

  2.不限制柱端塑性铰出现(包括底层柱底),但是通过适当增强柱端抗弯能力的方法使它在大震下的塑性转动离其塑性转动能力有足够裕量;

  3.同层各柱上下端不同时处于塑性变形状态。

  我国的抗震措施中对耗能机构的考虑也基本遵循了这一思路,采用了“梁柱塑性铰机构”模式,而放弃了新西兰的基于塑性力学的“理想梁铰机构”模式。

  抗震设计中我们为了避免没有延性的剪切破坏的发生,采取了“强剪弱弯”的措施来处理构件受弯能力与受剪能力的关系问题。值得注意的是,与非抗震抗剪破坏相比,地震作用下的剪切破坏是不同的。以梁构件为例,在较大地震作用下,梁端形成交叉斜裂缝区,该区混凝土受斜裂缝分割,形成若干个菱形块体,而且破碎会随着延性增长而加剧。由于交叉斜裂缝与塑性铰区基本重合,垂直和斜裂缝宽度都会随延性而增大。抗震下根据梁端的受力特征,正剪力总是大于负剪力,正剪力作用下的剪压区一般位于梁下部,但由于地震的往复作用,梁底的混凝土保护层可能已经剥落,从而削弱了混凝土剪压区的抗剪能力;交叉斜裂缝宽度比非抗震情况大,以及斜裂缝反复开闭,混凝土破碎更严重,从而使斜裂缝界面中的骨料咬合效应退化;混凝土保护层剥落和裂缝的加宽又会使纵筋的销栓作用有一定退化。可见,地震作用下,混凝土抗剪能力严重退化,但是试验发现箍筋的抗剪能力仍可以维持。

  当地震作用越来越小时,梁端可能不出现双向斜裂缝,而出现单向斜裂缝,裂缝宽度发育也从大于非抗震情况到接近非抗震情况,抗剪环境越来越有利。此外,抗震抗剪要求结构构件应在大震下预计达到的非弹性变形状态之前不发生剪切破坏。因为框架剪切破坏总是发生在梁端塑性铰区,这就不仅要求在梁端形成塑性铰前不发生剪切破坏,而且抗剪能力还要维持到塑性铰的塑性转动达到大震所要求的程度,这就需要更多的箍筋。同时,在梁端塑性变形过程中作用剪力并没有明显增大,也进一步说明这里增加的箍筋不是用来增大抗剪强度,而是为了提高构件在发生剪切破坏时所达的延性。

  综上所述,与非抗震抗剪相比,抗震抗剪性能是不同的,其性能与剪力作用环境,塑性区延性要求大小有关。我们可以采取以下公式来考虑抗震抗剪的强度公式:其中为混凝土抗剪能力,为箍筋抗剪能力,为由于地震作用导致的混凝土抗剪能力下降的折减系数,且随着剪力作用环境、延性要求而改变。我国的抗震抗剪强度公式也以上面公式为基础的,但是为设计方便,不同的烈度区取用了相同的公式,均取为0.6,与上面提到的混凝土抗剪能力随地震作用变化而不同的规律不一致,较为粗略。

  延性对抗震来说是极其重要的一个性质,我们要想通过抗震措施来保证结构的延性,那么就必须清楚影响延性的因素。对于梁柱等构件,延性的影响因素最终可归纳为最根本的两点:混凝土极限压应变,破坏时的受压区高度。影响延性的其他因素实质都是这两个根本因素的延伸。如受拉钢筋配筋率越大,混凝土受压区高度就越大,延性越差;受压钢筋越多,混凝土受压区高度越小,延性越好;混凝土强度越高,受压区高度越低,延性越好(但如果混凝土强度过高可能会减小混凝土极限压应变从而降低延性);对柱子这类偏压构件,轴压力的存在会增大混凝土受压区高度,减小延性;箍筋可以提高混凝土极限压应变,从而提高延性,但对于高强度混凝土,受压时,其横向变形系数较一般混凝土明显偏小,箍筋的约束作用不能充分发挥,所以对于高强度混凝土,不适于用加箍筋的方法来改善其延性。此外,箍筋还有约束纵向钢筋,避免其发生局部压屈失稳,提高构件抗剪能力的作用,因此箍筋对提高结构抗震性能具有相当重要的作用。根据以上规律,在抗震设计中为保证结构的延性,常常采用以下措施:控制受拉钢筋配筋率,保证一定数量受压钢筋,通过加箍筋保证纵筋不局部压屈失

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稳以及约束受压混凝土,对柱子限制轴压比等。


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