钢筋混凝土结构中的延性措施

钢筋混凝土结构中的延性措施摘要：本文总结了混凝土结构中几种较为成熟有效的提高构件延性的构造措施，并对其设计方法进行了简要介绍。在钢筋混凝土结构设计中，为设计师解决结构中对延性有特殊要求的构件设计提供参考。关键字：构件延性；构造措施1延性设计引论在地震作用的整个过程中，构件和结构承载力无明显降低的非线性反应特性即为延性。延性结构设计是利用结构中特定位置形成塑性变形来耗散地震能量，达到保护其它构件和结构整体的目的。利用结构的延性进行钢筋混凝土房屋的抗震设计是一种经济合理的方法。我国《建筑抗震设计规范》根据不同抗震等级规定不同抗震措施，抗震等级的划分反映了不同延性水平的要求。但实际工程中，所遇到的问题各种各样，有时很难使所有构件都达到理想中的延性性能。对于特殊位置的构件，要实现规范的相应要求，不得不加大构件截面、增加配筋及提高承载力。但片面的增大截面可能会带来不利的影响。如柱的轴压比较大时，若想使其达到规范要求限值，加大截面最为直接，但柱截面加大可能使其在该层内形成短柱，又恰恰使其延性降低，诸如此类的问题并不少见。影响构件延性的因素很多，实际并非仅仅是规范所规定的内容，这说明可以采取其它的构造措施也同样可以实现构件的延性要求。本文将常见的几种延性构造措施及相关的设计方法加以搜集汇总，以期借鉴选用。2构件延性构造2.1框架柱的延性构造2.1.1减小轴压比[1][3]《建筑抗震设计规范》中规定了抗震等级为一、二、三级的框架柱的轴压比限值，对于框架结构分别为：0.65、0.75、0.85。对于框剪结构、框筒结构其限值有所不同，主要是考虑了剪力墙在地震作用下分担了较多的剪力，使得框架柱的剪应力水平得以降低，因此放松了对于其延性的构造要求。当然，对于框支剪力墙结构的框支柱，因其对于延性的需求更大，所以轴压比限值又有所降低，体现了对于框支柱高延性的构造要求。因此，为了提高框架柱的延性性能，尤其是首层柱根位置，在条件允许的情况下可以尽量使用强度等级较高的混凝土材料，也可以在满足剪跨比大于2的前提下，增加柱截面以减小轴压比。2.1.2增大体积配箍率考虑到箍筋对框架柱的约束可以使其延性性能得到提高的影响，《建筑抗震设计规范》6.3.6条附注3中规定了在满足箍筋直径、间距的要求下可以提高轴压比限值，这也是提高柱延性的一种措施。2.1.3加设芯柱[2]除此之外，还可以在柱中部设芯柱，也可以提高轴压比限值，从而可以起到提高构件延性的作用，加设芯柱的形式可以分以下几种。图2.1一般配筋核心柱1）一般配筋核心柱（图2.1）。在方形或圆形截面柱内配置核心柱，其纵筋不少于原柱截面面积的0.8%。核心柱箍筋可采用普通箍筋或螺旋箍筋，根据《建筑抗震设计规范》第6.3.6附注4要求，满足上述要求时，复合柱的轴压比限值加0.05。复合柱的受压、受剪承载力可考虑核心柱的贡献，复合柱按整体截面考虑抗弯作用，芯柱不考虑抗弯作用。2）矩形截面复合柱可采用重叠螺旋箍配筋的核心柱（图2.2）。核心柱参与轴心受压和受剪作用，但不考虑受弯作用。复合柱按整体截面及核心柱以外配筋进行受弯承载力计算。图2.2重叠螺旋箍核心柱对于图2.2所示的重叠螺旋箍配筋的核心柱塑性铰区螺旋箍筋受剪承载力Vs可按下式计算：Asp—螺旋箍筋截面面积；fyh—螺旋箍筋屈服强度；D’--箍筋内直径；s--筋旋距；d--螺旋箍的中心距；此式不适用于弱重叠（d1.2r）及小剪跨比的核心柱。复合柱的抗剪承载力包括核心柱和核心柱以外的柱截面抗承载力。3）无间隙螺旋箍（简称NCS）核心单元柱。无间隙螺旋箍填充混凝土作为核心单元柱可以很大程度提高柱的抗压承载能力和延性，对抗剪承载力也有一定的贡献，但对抗弯、抗拉不起作用。NSC的核心混凝土有很高的抗压强度和变形能力，在高压应力作用下，NSC混凝土压应变可达6%。NSC对提高框架柱底部塑性铰抗震性能十分有利，且不会引起柱铰向上转移（图2.3）。图2.3NSC单元加强柱试验说明压弯破坏型的柱（D/h0≥5，h0为柱截面有效高度；D为柱高度）用NSC加强可以使柱的极限侧移角提高一倍，同时可以降低轴向压缩变形。在高轴压比（η=0.8）及侧向力作用下，表现良好的延性，对小剪跨（h0/D=2.2），则设NSC与不设的变形能力差别不大。NSC单元用于框支柱两端和短肢墙的预期塑性铰部位，可以达到改善抗震性能的作用。2.1.4钢管混凝土叠合柱由柱截面中部钢管混凝土和钢管外钢筋混凝土叠合而成的柱称为钢管混凝土叠合柱[5]。叠合柱的优点是核心柱采用高强材料可提高柱的受压受剪承载力，从而减小柱截面。核心柱先期施工，外围柱后期施工，由于先期施工的核心柱承担了大部分竖向荷载，使得后期施工的外围柱混凝土初始压应力较小，便具有了良好的延性性能。叠合柱的设计可参照《钢管混凝土叠合柱技术规程》CECS188:2005。2.1.5分体柱[2]在钢筋混凝土框架中，将短柱设计成分体柱后，可以改变短柱的破坏形态变短柱为“长柱”，使短柱的破坏形式由剪切型转化为弯曲型，而且由于隔板的约束作用，分体柱在较高轴压比作用下，可以发生延性较好的大偏心受压破坏。因此应用分体柱能够很好地实现短柱变“长柱”的设计意图，有效的短柱的抗震性能，使其具有很好的延性（图2.4）。图2.4分体柱的截面形式分体柱适用于设防烈度为7~9度的框架、框剪以及框支结构中剪跨比λ≤1.5的短柱。分体柱的各单元柱可以是方形也可以是矩形截面；单元柱的边长不宜小于300mm，单元柱截面的高宽比不宜大于1.5，每个方向只能分为两个单元柱；分缝宽度为10~20mm，隔板宜采用竹胶板；分体柱上下端均应留有不小于100mm的全截面过渡区。2.2框架梁的塑性铰转移构造按照延性设计的思路，框架结构及框剪结构遭受地震作用时，框架梁作为耗能构件首先屈服，实现对地震能量的耗散，起到推迟结构整体破坏的作用。按照一般的框架梁构造要求，当梁进入屈服阶段时，首先在梁与柱交接处出现较宽的裂缝，在反复荷载作用下梁塑性铰将在接近柱面处形成。这对节点核心区的约束以及梁筋的锚固都是极为不利的，梁纵筋在节点内的滑移会降低梁端塑性铰的耗能能力，因此如将梁的塑性铰转移离开柱面，使节点区始终处于弹性状态则将大幅度提高框架的抗震能力。因此提出了一种将梁塑性铰转移的措施[2][7]（图2.5）。该方法是将柱表面位置处的潜在塑性铰位置重新放置，可采用图2.5中a、b两种方式得以实现，通过将梁钢筋切断或弯折，使柱子表面1-1处梁的钢筋应力不超过屈服应力，而在塑性铰临界截面2-2以外，钢筋应力超过屈服应力，以实现塑性铰外移。该构造的优点和作用主要有：a梁端塑性铰转移配筋构造一b梁端塑性铰转移配筋构造二图2.5转移梁端塑性铰构造1）防止梁筋在节点核心区滑移，改善节点在反复荷载作用下的刚度退化；2）保证正交梁对框架节点核心区的约束作用，从而提高节点核心区的受剪承载力，减少节点核心区的配箍量；3）转移梁塑性铰，距柱面的距离要适当，太近不解决问题，太远则难以形成塑性铰且转动量太大，难以保证延性要求。2.3其它改善构件延性的方法2.3.1人工开缝法用人工开缝的方式改善梁、柱、墙的延性。1）短梁。剪力墙或框筒结构的连梁等，利用开缝将短梁变成长梁，目前的计算程序中均可以实现此种构件的模拟分析。2）短柱[2]。利用开竖缝的方式将短柱变成受弯型的长柱，详细构造及分析方法见上节分体柱的相关内容。3）剪力墙。利用开洞可将宽肢墙变成双肢或多肢墙，之间用连梁连接，提高耗能能力及延性，在目前的结构分析软件中基本均可以得到较准确地模拟分析；其次为在墙上开竖缝构造[2]，在侧移较小的情况下开缝墙具有较大的刚度，在侧移较大的情况下具有较好的延性（图2.6）。对于延性要求较高的部位或工程还可以在竖缝中设置耗能阻尼器以提高结构的耗能能力。进行整体分析时，可以通过对墙体刚度折减进行模拟，设置阻尼系统的结构尚应根据相关文献资料进行详细分析。图2.6带竖缝剪力墙参考相关文献资料，开竖缝墙的初始刚度约等于整体墙的四分之一，整体分析时层间剪力按其刚度分配。确定出设计剪力后，再根据剪力确定开缝率和配筋量，并应要求开缝墙的抗弯承载力低于其抗剪承载力。设计方法可参见文献[6]。2.3.2设置交叉斜筋法（1）交叉斜筋用于剪力墙的深连梁及框筒结构的短梁等，可以提高抗剪承载力及变形能力[4]。《混凝土结构设计规范》中对设置交叉斜筋或斜撑的混凝土连梁，截面条件由式2.1放宽至式2.2；构造要求和计算方法详见该规范11.7.10条相关规定[4]。（2.1）（2.2）（2）短柱[2]。在低轴压比情况下配置交叉斜筋的短柱可以提高抗剪承载力及延性。在高轴压比（N/bhfc0.4）时，除设置交叉斜筋外尚应配置足够的箍筋来保证混凝土的良好约束，约束箍筋的最低配箍率可按式2.3计算：图2.7短柱（2.3）（3）梁柱节点剪力由斜筋承担，箍筋配筋率≥0.3%。(2.4)图2.8节点配置斜筋图2.9墙根部配斜筋（4）剪力墙根部[4][7]在剪力墙根部配置交叉斜筋可以控制剪力墙剪切滑移。当轴向压应力0.2fc时，配置斜筋承担根部部分剪力。《混凝土结构设计规范》要求抗震等级为一级的剪力墙需验算施工缝处抗滑移，满足式2.5的要求：（2.5）当底部截面不满足上式时，可设置防滑交叉斜筋。新西兰Canterbury大学的试验表明，采用交叉，斜筋承受部分剪力，可以很大程度的改善变形能力，推迟刚度的受剪承载力的退化[7]。参照欧洲规范及研究成果，每对交叉斜筋承担的剪力Vd按式2.6计算，抗滑移钢筋承担的剪力系数β，在7、8度时取0.3，9度时取0.5。（2.6）抗滑移交叉筋的承载力按下式计算：（2.7）式中：Asd——单根斜筋的截面面积；Fyd——斜筋抗拉强度设计值；3结语钢筋混凝土结构在目前依然是建筑结构的主要形式，尤其是在抗震设防地区，其安全性和可靠性除了对于生命安全有着巨大的影响外，对震后经济损失的影响也越来越大。随着基于性能的抗震设计思想和方法被广大设计师所接收和采用，对于混凝土构件的延性性能的要求也逐渐明晰。本文在收集归纳的基础上对混凝土结构的框架梁、柱的延性构造和设计方法进行了介绍。结构抗震设计中对于延性需求较大的构件和延性性能较差的构件，需要采取特殊的构造措施加以改善，以提高其抗震性能，保证结构不出现明显的薄弱部位。参考文献[1]GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.[2]胡庆昌，孙金樨，郑琪建筑结构抗震减震与连续倒塌控制.北京：中国建筑工业出版社，2007[3]JGJ3-2010高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.[4]GB50010-2010混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.[5]CECS188:2005钢管混凝土叠合柱技术规程.北京：中国计划出版社，2005.[6]王文基，刘立泉开竖缝剪力墙设计方法简介.建筑科学，1988（12）.[7]T·鲍雷（新西兰），M·J·N·普利斯特利（美）等著，戴瑞同，陈世鸣等译钢筋混凝土和砌体结构的抗震设计.北京：中国建筑工业出版社，2010.