钢筋混凝土框架结构延性设计的探讨

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  摘要:在我国当前的建筑工程施工和设计中,钢筋混凝土框架结构已成为主要的结构形式。由于钢筋混凝土结构在施工和应用过程中其优越的抗剪性能和灵活的平面布置能力在当前建筑结构应用中倍受建筑企业和单位的青睐。本文阐述了钢筋混凝土框架结构延性设计中存在的问题,并针对各个问题形式提出合理的设计思路与预防措施。
  关键词:钢筋混凝土 框架结构 延性设计
  伴随着当前社会生产技术的不断进步,我国城市化发展脚步的逐步加快,多层和高层建筑已成为当前城市建设的主流,其结构模式也随着人们的需求不断的进步和发展。钢筋混凝土框架结构是已经成为最常用的结构形式,由于其超高的抗剪力和荷载力以及能够在施工的过程中合理的对建筑空间进行灵活布置的优势成为当前最为常用的结构形式。因其在设计的过程中还具有着良好延性和抗震性能,也符合安全可靠建筑的标准,被建筑界所推崇。
  1、框架结构延性的抗震性能
  钢筋混凝土框架结构在设计中的不合理性会在地震作用下会产生比較严重的震害,由于在钢筋混凝土结构中,其抗震性能的本质是混凝土的延性,因此在设计的过程中要通过对设计方案中钢筋混凝土框架结构的延性进行分析与探讨。当结构设计成为延性结构时可以通过塑性铰区域的变形,有效的吸收和控制在模拟实验中所消耗的各种地震能量,并且通过塑性变形的框架结构形式和刚度使得框架结构在地震灾害中能够将反作用力降低的最小和地震伤害缩小的最低,保证建筑结构的稳定性,提高框架结构抗震潜力,增强框架结构抗倒塌能力是提高延性质量的关键。
  2影响框架结构延性的主要因素
  框架结构在设计的过程中其主要包含着梁、板、柱和节点的设计部分,而梁和柱以及节点的延性是整个框架结构设计中延性设计的重点表现方式和表现形式,其延性表现是影响整个框架抗震性能的基础。
  2.1梁是框架结构中的主要受力构件,在抗震设计中要求塑性铰首先出现在梁端并且
  不能发生剪性破坏,同时还要防止由于梁筋屈服而影响节点核心区的性能。我们在进行多次试验以及根据多个实例进行总结,我们得出影响梁截面延性的主要因素有:
  梁配筋方面,配置一定数量的受压钢筋可以减小混凝土受压区高度,对梁的延性影响比较大。在梁端箍筋加密区内,下部纵向钢筋不宜过少,下部和上部钢筋的截面应符合一定的比例。考虑到地震作用的随机性,在较强地震作用下梁端可能出现较大的正弯矩该正弯矩有可能明显大于考虑常遇地震作用的梁端组合正弯矩。若梁端下部纵向钢筋配置过少,将可能发生下部钢筋的过早屈服甚至拉断。提高梁端下部纵向钢筋的数量,也有助于改善梁端塑性铰区在负弯矩作用下的延性性能。在梁端塑性铰区段加密箍筋可以约束混凝土,并约束纵向受压钢筋,防止它在保护层混凝土剥落后过早压屈,以保证梁端具有足够的塑性铰转动能力。
  2.2柱是框架结构中也是主要的受力构件,在框架柱的设计中应该遵循“强柱弱梁”的设计原则,使塑性铰出现在梁端,可以对柱起到很好的保护作用。影响框架柱延性的主要因素有以下几点:
  (1)框架柱截面尺寸。为了保证框架柱有足够的延性,框架柱截面尺寸在两个主轴方向的刚度不宜相差太大,柱的截面宽度和高度均不宜小于300ram;圆柱的截面直径不宜小于350mm;柱截面高度与宽度的比值不宜大于3,柱的剪跨比宜大于2。
  (2)框架柱截面形状。框架柱的截面形状,会直接影响框架柱截面界限破坏时钢筋和混凝土内应力应变的分布,影响混凝土受压边缘的极限压应变。
  (3)混凝土强度等级。提高混凝土强度可以在不加大截面的情况下降低轴压比,但混凝土强度过高,则极限压应变会减小,变形能力比较差,对柱子的延性产生不利的影响。
  2.3节点是框架梁柱构件的公共部分,如果节点的失效那么就意味着与之相连的梁与柱同时失效,所以对节点应该给予足够的重视,这是整个框架结构的关键部分,容不得半点马虎,通过调查分析多个事故工程,我们发现造成事故最多也是最大的因素往往就是节点设计的问题。影响节点廷性的主要因素主要由以下几方面:
  (1)轴压比。根据试验研究表明,在一定范围内轴向压力可以提高框架节点核芯区混凝土的抗剪承载力。由于柱轴向压力的作用,在框架节点核芯区混凝土开裂以前,柱截面受压区面积加大,斜压杆作用加强。随着轴压比的增加,抗剪承载力也相应增大,但当轴压比超过某一临界值时,框架节点受压区混凝土会产生微裂缝,混凝土被压碎,框架节点核芯区抗剪承载力下降。因此要通过控制轴压比来确保其延性。
  (2)剪压比。为了防止框架节点核芯区出现脆性斜拉破坏或者斜压破坏,必须控制剪压比,限制配箍率,避免框架节点核芯区混凝土的破坏先于箍筋的屈服,保证节点具有一定的延性。
  (3)柱纵向钢筋。柱纵向钢筋通常按抗弯要求设置,沿柱截面的高度方向布置。按构造规定柱子要配置一定数量的纵向钢筋。这些纵筋与水平箍筋联合对框架节点核心区混凝土形成双向约束。能提高框架节点的抗剪承载力。
  3 框架结构的延性抗震设计延性在框架结构的抗震中起着关键的作用,在进行框架结构延性抗震设计时,要考虑到钢筋混凝土材料具有双重性,合理的设计可以消除或减少混凝土脆性性质的危害,充分发挥钢筋塑性性能,实现延性结构。根据国内外试验研究及震害资料,框架结构延性设计时必须遵循以下原则:
  3.1“强柱弱梁”的设计原则
  在地震作用下,要确保框架结构中塑性铰首先出现在梁端,而不是在柱端,使框架结构形成梁铰机制。利用适筋梁良好的变形性能,来吸收和耗散地震能量。在框架结构中,塑性铰出现的位置或者顺序不同,将使框架结构产生不同的破坏形式。柱中出现塑性铰,会引起结构倒塌;塑性铰出现在梁端,框架结构在破坏之前有比较大的变形,可以耗散比较多的地震能量,具有较好的抗震性能。柱的延性通常小于梁的延性。
  3.2“强剪弱弯”的设计原则
  保证框架梁、柱发生的是延性的受弯破坏,尽可能避免在梁端、柱端塑性铰区在充分塑性转动之前发生瞻l生的剪切破坏,使构件在破坏之前,多吸收和耗散地震能量。适筋梁或者大偏压柱在截面破坏时可以达到比较好的延性,可以吸收和耗散地震能量,使内力重分布得以充分发展;而钢筋混凝土梁和柱在受到比较大剪力时,会出现膪陛破坏。所以在进行框架梁和柱设计时,应该使构件的受剪承载力大于其受弯承载力,使构件发生延性的弯曲破坏,避免发生延性比较差的剪切破坏,保证构件在塑性铰出现之后不过早剪坏。
  4、结语
  钢筋混凝土框架结构在当前抗震设计中容不得半点马虎和失误,一旦发生事故后果往往不堪想象,其设计方式和计算手段在当前的建筑工程应用中是设计的重点和核心。钢筋混凝土框架结构的抗震设计需要进行复杂的计算分析,由于在当前设计过程中地震因素的不确定性和地震强度大小的不能够预测性,因此对框架结构抗震设计来说不能仅靠计算解决,“概念设计”比“计算设计”还要重要。在框架结构抗震设计时遵循“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件”的原则,使其具有多道抗震防线,从而实现我国抗震规范提出的“小震不坏,中震可修,大震不倒”三个水准设防目标,这也是对国家和人民负责的职责素养所在。
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