淺談鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的靜力彈塑性及延性設(shè)計(jì)

淺談鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的靜力彈塑性分析及延性設(shè)計(jì)摘要：本文簡述了靜力彈塑性分析的基本原理及其在結(jié)構(gòu)延性設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，以及鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在地震作用下的耗能機(jī)理。根據(jù)我國抗震設(shè)計(jì)的基本原理,闡述了鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計(jì)原則,分別對框架結(jié)構(gòu)的梁、柱及節(jié)點(diǎn)的延性設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討。關(guān)鍵詞：框架結(jié)構(gòu)Push_over分析延性設(shè)計(jì)ElementaryintroductiontothePush_overanalysisofthereinforcedconcreteframestructureandductilitydesignAbstract：ThebasicprinciplesandusefulnessofPush_overanalysiswasdescribedbriefly.Andthemechanismofenergydissipationoftheframeworkofthereinforcedconcretestructureintheearthquakewasoutlinedaswell.AccordingtoChina'sbasicseismicdesignprinciples，ductilitydesignprinciplesofthereinforcedconcreteframestructurewasdescribed.Andductilitydesignofbeam,columnandnodeoftheframeworkwasdiscussed.Keywords：FramestructurePush_overanalysisductilitydesign一、概述目前，在我國的多高層建筑中,鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)形式。因其具有結(jié)構(gòu)形式簡單，良好的延性和較強(qiáng)的整體性等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛用于地震設(shè)防地區(qū)。結(jié)構(gòu)延性的大小是罕遇地震下結(jié)構(gòu)進(jìn)入屈服階段后，結(jié)構(gòu)抗震能力優(yōu)劣的重要表現(xiàn)。由于結(jié)構(gòu)進(jìn)入屈服階段后已無承載力儲備可言，為了抵御地震作用，只能靠發(fā)展塑性變形來吸收和消耗地震能量，從而達(dá)到結(jié)構(gòu)抗倒塌的目的。目前的抗震結(jié)構(gòu)均為超靜定結(jié)構(gòu),超靜定結(jié)構(gòu)屈服破壞時(shí)會產(chǎn)生塑性鉸,塑性鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)能力決定了結(jié)構(gòu)的延性,因此,對抗震結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計(jì)主要集中在對結(jié)構(gòu)構(gòu)件塑性鉸的研究設(shè)計(jì)上。Push_over分析方法對于屈服的構(gòu)件采取的常用方法是屈服部分看作塑性鉸來對待處理,對塑性鉸的研究也是Push_over方法的一個(gè)重要內(nèi)容,由此可見,結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計(jì)和Push_over方法在塑性鉸問題上具有廣闊的研究合作領(lǐng)域,使兩者合理有效的工作成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)課題。二、靜力彈塑性分析靜力彈塑性分析法，也稱推覆分析法(Push_overanalysis)是近年來在國外得到廣泛應(yīng)用的一種結(jié)構(gòu)抗震能力評價(jià)的新方法，其應(yīng)用范圍主要集中于對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)或設(shè)計(jì)方案進(jìn)行抗側(cè)力能力的計(jì)算，從而得到其抗震能力的估計(jì)。這種方法從本質(zhì)上說是一種靜力非線性計(jì)算方法，與以往的抗震靜力計(jì)算方法不同之處主要在于它將設(shè)計(jì)反應(yīng)譜引入了計(jì)算過程和計(jì)算成果的工程解釋。Push_over分析方法是一種近似簡化法，實(shí)際上是一種反應(yīng)譜分析法。它將沿高度為某種分布的水平力，靜態(tài)、單調(diào)地施加在結(jié)構(gòu)上，求得內(nèi)力和側(cè)移，判別結(jié)構(gòu)的破壞狀態(tài)；逐步增加這個(gè)水平力，使結(jié)構(gòu)依次進(jìn)入塑性，直到產(chǎn)生的位移超過限值或認(rèn)為結(jié)構(gòu)變?yōu)闄C(jī)構(gòu)接近倒塌為止，從而求得恢復(fù)力—位移曲線，稱之為荷載增量分析。然后根據(jù)振型分解理論，通過單自由度彈性體系反應(yīng)譜求得地震下的位移。Push_over分析不僅能夠?qū)Y(jié)構(gòu)在多遇地震作用下的彈性反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，更重要的是可以對結(jié)構(gòu)在遭受罕遇地震后可能出現(xiàn)的破壞狀況進(jìn)行較精確的分析,比現(xiàn)行抗震規(guī)范下薄弱層(部位)彈塑性變形計(jì)算更進(jìn)一步。與時(shí)程分析法相比,Push_over分析實(shí)施方便,概念清晰,同時(shí)也能使設(shè)計(jì)人員在一定程度上了解在強(qiáng)震作用下的反應(yīng),迅速找到薄弱環(huán)節(jié)。Push_over分析的關(guān)鍵問題是選擇合理的側(cè)向荷載分布模式國內(nèi)外很多的學(xué)者都做過專門的研究了很多種不同的側(cè)向荷載分布方式，但總體上可以分為兩種：固定的側(cè)向荷載分布方式和適應(yīng)性的側(cè)向荷載分布方式。在某些中，高振型對結(jié)構(gòu)反應(yīng)的影響較小且同時(shí)在不同側(cè)向荷載分布方式作用下得到的結(jié)構(gòu)破壞方式也相似，選擇適合的固定的側(cè)向荷載分布方式是可以對結(jié)構(gòu)單元的變形要求提供較好的預(yù)測的。但當(dāng)結(jié)構(gòu)在地震作用中形成局部塑性機(jī)構(gòu)而動(dòng)力性質(zhì)發(fā)生改變的時(shí)候,上述的固定的側(cè)向荷載分布方式都不能夠反映這種慣性力的重分布情況。而應(yīng)用適應(yīng)性的側(cè)向荷載分布方式可以更好的反映慣性力隨時(shí)間的變化。因而相對于固定分布方式而言,選用適應(yīng)性的分布方式是較為合理的。所謂適應(yīng)性的分布方式,是指根據(jù)加載過程中結(jié)構(gòu)塑性鉸的發(fā)展,不斷調(diào)整側(cè)向荷載的分布方式。通過結(jié)構(gòu)的Push_over分析的階段加載，可以清晰發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的塑性鉸發(fā)展部位及發(fā)展過程。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中,塑性鉸與延性有著很密切的關(guān)系，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)的塑性鉸發(fā)展合理與否直接體現(xiàn)結(jié)構(gòu)的整體抗震性能及破壞形式。三、鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的塑性鉸鋼筋混凝土多層框架結(jié)構(gòu)的組成構(gòu)件框架梁和框架柱，當(dāng)縱向受拉鋼筋在某截面達(dá)到屈服后，在彎矩增加不多的情況下，截面的變形和曲率急劇增大，表明截面已進(jìn)入屈服階段，在該截面附近的混凝土，不論是受拉區(qū)還是受壓區(qū)都產(chǎn)生很大的局部變形，受壓區(qū)形成集中的塑性變形區(qū)域，當(dāng)截面彎矩達(dá)到極限彎矩時(shí)，轉(zhuǎn)角急劇增大，相當(dāng)于出現(xiàn)一個(gè)“鉸”，這種允許鋼筋混凝土多層框架某些部位所出現(xiàn)的塑性變形，被稱之為塑性鉸。塑性鉸使該截面無限靠近的相鄰截面產(chǎn)生沿彎矩增大方向發(fā)生有限相對轉(zhuǎn)角。塑性鉸的形成主要是由于縱向鋼筋進(jìn)入屈服階段的應(yīng)力不斷增加、同時(shí)應(yīng)變也繼續(xù)增大、并且受壓區(qū)混凝土產(chǎn)生塑性變形引起的，塑性鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)能力取決于混凝土的變形能力。鋼筋混凝土多層框架梁和框架柱的塑性鉸與桁架節(jié)點(diǎn)處的鉸接節(jié)點(diǎn)不同，如果忽略其不大的摩擦力，桁架的鉸不能傳遞任何彎矩，而只能不受限制的轉(zhuǎn)動(dòng)，但塑性鉸能夠傳遞相應(yīng)于截面屈服的極限彎矩，只能在極限彎矩作用下使截面沿極限彎矩的方向作有限轉(zhuǎn)動(dòng)，因此說塑向鉸是單向鉸，其轉(zhuǎn)動(dòng)能力與混凝土的極限應(yīng)變及配筋率有關(guān)?？蚣芙Y(jié)構(gòu)在抗震設(shè)計(jì)中允許在某些部位形成塑性鉸，而不產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的局部脆性剪切破壞或局部受壓破壞，因此這種結(jié)構(gòu)在強(qiáng)烈的地震荷載作用下，不僅仍然具有一定承載能力，而且還具有承受較大的變形能力，并通過結(jié)構(gòu)的變形來吸收和耗散地震能量，防止結(jié)構(gòu)整體破壞。四、鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)延性設(shè)計(jì)延性是指一個(gè)構(gòu)件或結(jié)構(gòu)體系在強(qiáng)度沒有實(shí)質(zhì)性降低的情況下，通過大幅度非彈性變形來耗散地震能量的能力。延性也可以簡單地理解為，受彎構(gòu)件在受拉鋼筋屈服之前，不產(chǎn)生受剪或受壓的脆性破壞，受壓構(gòu)件不產(chǎn)生受剪脆性破壞的能力。考慮結(jié)構(gòu)延性進(jìn)行設(shè)計(jì)有兩個(gè)大的方向,一個(gè)是延性的確定性設(shè)計(jì),另一個(gè)是延性的非確定性設(shè)計(jì)。確定性研究主要是指我們?nèi)绾伟蜒有灾笜?biāo)具體化,如何對延性進(jìn)行精確的計(jì)算。在這方面,很多學(xué)者和設(shè)計(jì)專家作了很多的研究工作但結(jié)果并不理想。延性的非確定性研究實(shí)際上就是如何更好的把延性的研究成果用于結(jié)構(gòu)抗震的概念設(shè)計(jì)。比如,我們可以通過我們做的各種結(jié)構(gòu)抗震分析的試驗(yàn)以及我們做的抗震理論研究分析各種結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的延性主要受哪些因素的影響:截面尺寸、材料性質(zhì)、剪跨比、軸壓比、體積配筋率、箍筋形式等各種因素都可能影響結(jié)構(gòu)的延性。鋼筋混凝土多層框架具有良好的抗震性能，是由其具有良好的延性和整體性保證的，一方面在地震荷載作用下，當(dāng)構(gòu)件進(jìn)入屈服階段后，如果結(jié)構(gòu)具有良好的塑性變形能力，則能通過其結(jié)構(gòu)的塑性變形，來吸收地震作用所產(chǎn)生的能量，使結(jié)構(gòu)仍能維持一定的承載能力，說明結(jié)構(gòu)具有良好的延性。另一方面，鋼筋混凝土多層框架的多次超靜定結(jié)構(gòu)體系，使之形成一種整體性非常良好的節(jié)點(diǎn)剛性連接的幾何不變結(jié)構(gòu)，能允許框架的某些部位出現(xiàn)塑性變形以后，仍然具有承載能力而結(jié)構(gòu)不致倒塌破壞。在設(shè)防水準(zhǔn)和罕遇水準(zhǔn)的地震作用下結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)相應(yīng)的非彈性反應(yīng),這就要求結(jié)構(gòu)具有相應(yīng)的延性。我國的鋼筋混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范沒有對抗震結(jié)構(gòu)的延性系數(shù)提出具體要求,但是在計(jì)算和構(gòu)造的規(guī)定中給出了一定的措施,也就是我們通常所說的概念設(shè)計(jì)。這些具體措施包括如下一些內(nèi)容。1.強(qiáng)柱弱梁的結(jié)構(gòu)形式強(qiáng)柱弱梁的結(jié)構(gòu)形式,有利于發(fā)揮梁的良好塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力,柱原則上不出現(xiàn)塑性鉸,盡量保證框架柱處于彈性變形。在鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)中,除去底層柱之外的所有樓層中都基本上保持彈性不屈服。在底層柱的底部部位允許以這些豎向構(gòu)件穩(wěn)定的、得到控制的塑性鉸或土壤變形和基礎(chǔ)構(gòu)件在地基上搖動(dòng)的方式形成明顯的轉(zhuǎn)動(dòng)。但應(yīng)嚴(yán)格避免塑性鉸大量出現(xiàn)在柱端,形成柱鉸機(jī)制,這種情況下塑性鉸的數(shù)目少,總的耗能能力小,在房屋側(cè)向位移相同的情況下,柱鉸機(jī)制將塑性變形集中在一層,使該層比在梁鉸機(jī)制下有大得多的塑性鉸轉(zhuǎn)動(dòng),這樣可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)某層的層間位移偏大,形成薄弱層,容易導(dǎo)致房屋倒塌?，F(xiàn)代抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)盡力設(shè)法將結(jié)構(gòu)的延性需要與耗能能力分散給所有的梁,并通過加強(qiáng)豎向構(gòu)件,使豎向構(gòu)件除底層底部外的其他部位均保持彈性不屈服來避免形成薄弱層。為此,通常是把柱的抗彎能力設(shè)計(jì)得更強(qiáng)。柱的設(shè)計(jì)彎矩是在設(shè)計(jì)地震作用的結(jié)構(gòu)線彈性分析結(jié)果基礎(chǔ)上適當(dāng)人為增大得到的,或者是根據(jù)同一個(gè)節(jié)點(diǎn)的各根梁端實(shí)際抗彎能力(還應(yīng)考慮現(xiàn)澆板可能具有的作用)進(jìn)行級差系數(shù)調(diào)大導(dǎo)出。而框架梁端的正截面設(shè)計(jì)是按照在設(shè)計(jì)地震作用與準(zhǔn)永久重力荷載組合下的結(jié)構(gòu)線彈性分析求得的彎矩來進(jìn)行的。這些設(shè)計(jì)原則在《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》或《高規(guī)》中均有相應(yīng)的要求。2.強(qiáng)剪弱彎的設(shè)計(jì)原則延性設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免結(jié)構(gòu)在達(dá)到所需的變形或所要抵抗的彎矩之前,過早地出現(xiàn)脆性剪切破壞,構(gòu)件截面發(fā)生非延性失效。在框架結(jié)構(gòu)中不發(fā)生梁、柱的先期剪切失效和梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的剪切失效。如果說“強(qiáng)柱弱梁”措施具有全局性意義,“強(qiáng)剪弱彎”措施一般只有局部性質(zhì)。通常是通過使構(gòu)件相應(yīng)部位的抗剪能力得到一定的人為增強(qiáng)來實(shí)現(xiàn)這一要求。當(dāng)柱梁的級差系數(shù)較大時(shí),柱在動(dòng)力反應(yīng)的過程中原則上不出現(xiàn)塑性鉸,柱端作用剪力只需要在設(shè)計(jì)計(jì)算所得的組合剪力值基礎(chǔ)上,考慮塑性鉸出現(xiàn)過程中的內(nèi)力重分布和非彈性高振型反應(yīng)造成的柱端剪力增大的可能性。剪力增大的幅度通常遠(yuǎn)沒有彎矩大。只有當(dāng)?shù)卣鹱饔谜急戎剌^大或柱彎矩增大系數(shù)取值較小時(shí),才可能在梁、柱兩端同時(shí)出現(xiàn)塑性鉸,這時(shí)柱的設(shè)計(jì)剪力可以按梁端實(shí)配鋼筋對應(yīng)的屈服彎矩計(jì)算。梁的抗剪能力計(jì)算公式一般以梁端縱筋先屈服為條件,隨著預(yù)計(jì)達(dá)到的梁端非彈性轉(zhuǎn)角(延性要求)的增大,抗剪能力逐步下降。其中還應(yīng)考慮塑性鉸區(qū)在兩個(gè)方向交替彎剪過程中發(fā)生的剪切滑移的可能性和應(yīng)該采取的構(gòu)造措施。由于梁上下縱筋數(shù)量不一樣,故兩個(gè)方向交替彎剪的作用力大小也不一樣。柱端在兩個(gè)交替受力方向分別形成塑性鉸時(shí),因縱筋屈服后塑性鉸區(qū)非彈性變形很大,彎曲正裂縫和斜裂縫開展更寬,混凝土的骨料咬合作用和縱筋的銷栓作用均有所削弱，更加由于剪壓區(qū)混凝土在交替受力下的破碎,混凝土剪壓區(qū)的抗剪能力也進(jìn)一步削弱，而且這些削弱作用都是隨交替塑性變形的增大而加重的。3.其他延性構(gòu)造措施要形成耗能性良好的塑性鉸側(cè)移機(jī)構(gòu),就必須通過一系列的構(gòu)造措施來保證可能出現(xiàn)塑性鉸的各部位在強(qiáng)震作用下具有足夠的塑性變形能力。這就要靠精心的構(gòu)造設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。對于梁端潛在的塑性鉸區(qū),主要通過控制受拉縱筋配筋率,限制混凝土受壓區(qū)高度,布置必要的受壓鋼筋,以及通過箍筋約束核心混凝土和縱筋來保證其延性性質(zhì)。對于“梁柱鉸混合機(jī)構(gòu)”的柱端塑性鉸區(qū)以及“梁鉸機(jī)構(gòu)”中一般都要出現(xiàn)的底層柱底塑性鉸區(qū),則通過限制柱子軸壓比來防止小偏壓破壞,同時(shí)通過加密箍筋來加強(qiáng)對核心區(qū)混凝土及縱筋的約束,保證柱子具有必要的延性性質(zhì)。五、結(jié)語到目前為止,Push_over分析方法作為一種新興的簡化非線性分析方法,在國內(nèi)外都得到了廣泛的應(yīng)用。在它的使用過程中,處處體現(xiàn)著結(jié)構(gòu)延性設(shè)計(jì)的思想,同時(shí)它也成為結(jié)構(gòu)延性設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要而有效的分析方法。鋼筋混凝土結(jié)