512特大地震后对框架结构的延性抗震设计的重新思考(编辑修改稿)

512特大地震后对框架结构的延性抗震设计的重新思考(编辑修改稿)内容摘要：

之间的粘结退化，使得各构件刚度降低。 此外， 梁刚度降低较受压的柱子相对严重，结构 会 由最初的剪切型变形向剪弯 型 变形过渡，柱内的弯矩较梁端的弯矩比例增大；同时结构的周期加长，影响到结构各振型的参与系数的大小；地震力系数发生变化，导致部分柱子弯矩增大，由于构造原因及设计中钢筋的人为增大，使得梁的实际屈服强度提高，从 而使得梁出现塑性铰时柱内弯矩增大。 结构出现塑性铰之后，同样有上述原因的存在，而且结构屈服后的非弹性过程就是地震力进一步增大的过程，柱弯矩随地震力的增大而增大。 这时 地震力引起的倾覆力矩改变了柱内的实际轴力。 我 国《建筑抗震设计规范》 GB 50011— 2020 和《高层建筑混凝土结构技术规程》 JGJ 3— 2020 中 规定 的轴压比限值一般能保证柱子在大偏 心受 压的范围内， 让构件成弯曲延性破坏。 此外，由轴压比公式 cc fANn 可知，轴压比越大，构件的延性越差，红白镇旅馆图 5日本抗震建筑图 6 2020 届土木工程专业 —— 毕业论文 9 对于层高不大的楼层柱其效果更为明 显， 因此， 轴力 的减小也能导致柱子屈服能力的降低。 同时《建筑抗震设计规范》 GB 50011— 2020 中 对柱内力的调整作了相关 规定：除框架顶层和柱轴压比小于 者外，柱端 考虑地震作用组合的 弯矩设计值应 按 公式 ：  bcc MM  予以调整 ， c — 柱端弯矩 增大系数，一、二、三级分别取 、 和。 9 度 抗震设计的结构和 一级框架结构尚应符合   buac MM ，  buaM — 节点左、右梁端逆时针或顺时针方向实配的正截面受弯承载力所对应的弯矩值之和， 可 根据实配钢筋面积 （计入受压钢筋） 及材料强度标准值 并考虑承载力抗震调整系数计算 确定。 另外， 由于 底层柱轴力大，塑性转 动 能力差，为避免柱脚出铰后压溃， 在 抗震设计时， 《高层建筑混凝土结构技术规程》 JGJ 3— 2020 中 和 《混凝土结构设计规范》 GB 500102020 中 都 规定： 考虑地震作用组合的框架结构底层柱下端截面的弯矩设计值，对一、二、三级抗震等级应按考虑地 震作用组合的弯矩设计值分别乘以系数 、 和 确定。 以 保证 框架底层柱柱底 不 过早出现塑性铰，影响整个结构的变形能力， 也 利于结构持续 变形，提高柱根的承载能力，以便 吸收和耗散地震能量。 如图 7 所示 ： 映秀镇 某 商住楼 ，六层框架结构 柱脚破坏图 ， 其破坏的主要原因是：在 5 12 汶川 级特大地震作用下， 底层柱 柱底 由于 塑性转动能力差， 轴力又较其余楼层 柱大， 若随着梁端塑性铰的出现，结构还将发生塑性内力重分布，底层柱反弯点的位置也将发生改变， 有可能不在柱的层高范围内 (说明框架梁相对较弱 )， 这必将会引起底层柱下端截 面弯矩增大。 在竖向荷载和地震共同作用下 也 会引起内力集中或压屈失稳， 从而导致柱脚 过早出现塑性铰被压溃， 影响整个结构的变形能力， 这不利于结构延性的充分发挥和整个结构吸收、耗 散地震能 量。 为此，《混凝土结构设计规范》 GB 500102020 中 规定： 当反弯点不在柱的层高范围内时，一、二、三级抗震等级的框架柱端弯矩设计值应按考虑地震作用组合的弯矩设计值分别直接乘以系数 、 、 确定。 此外， 当分别按两个主轴方向考虑地震作用时， 由地震引起的建筑结构扭转会使角柱地震作用效应明显增大， 当这种 作用 效应 增大到一定程度时， 会使结构破坏，甚至引起房屋倒塌。 如图 8 所示 ： 绵竹某机械厂，三层框架结构，角柱破坏严重， 这 主要 是 由于 角柱映秀镇某商住楼图 7 2020 届土木工程专业 —— 毕业论文 10 在组合荷载作用下 双向受弯、 双向偏心受压 、 受剪 ， 加上在侧向力作用下，结构难免会发生整体 扭转， 这时角柱所受的剪力最大， 而设计时往往考虑不周到。 因而角柱 震害比内柱重。 尤其是在 5 12 汶川 级这样的 特大地震作用下，即使在完全对称的结构中，亦不可避免会受到扭转作用， 然而，扭转常常又会使结构遭受严重破坏。 为此， 在框架结构延性抗震设计时，应特别重视角柱的 扭转问题 ，这 要着重从设计方案、抗侧力结构布置或 配筋构造、连接构造上妥善考虑：一方面尽可能减少扭转，另一方面尽可能加强结构的抗扭能力。 同时 《高层建筑混凝土结构技术规程》 JGJ 3— 2020 中 和 《建筑抗震设计规范》 GB 50011— 2020 中 等 都规定： 抗震设计时，框架角柱应按双向偏心受力构件进行正截面承载力设计。 一、二、三级框架角柱 用计算 调整后的弯矩、剪力设计值应乘以不小于 的增大系数。 这样基本上能保证角柱 在地震作用效应明显增大时不被破坏。 以上“强柱弱梁”的 设计方案和 调整措施，经过 理论分析和大量震害实事 表明，基本满足 抗震设防 目标：即“小震不坏、中震可修、 大震不倒 ” 的 要求。 3 强剪弱弯 设计探讨 “强剪弱弯”就是 为了保证塑性铰截面在达到预期非弹性变形之前不发生剪切破坏。 实质上就是要通过人为增大各类构件的抗剪能力，使其不致在强烈地震作用下，在结构延性未发挥出来之前出现非延性的剪切破坏。 大量震害实事 表明， 对适筋梁或大偏心受压柱，在截面破坏时可以达到较好的延性， 同时 吸收和耗散 较多的 地震能量，使内力重分布得以充分发展；而 当 框架梁柱在受到较大剪力时，往往 又是 呈现脆性破坏。 所以在进行框架梁、柱设计时，应使构件的受剪承载力大于其受弯承载力， 使构件发生延性较好的弯曲破坏，避免发生延性较差的剪切破坏，而且保证构件在塑性铰出现之后也不过早剪坏，这就是“强剪弱弯”的设计原则，它实际上是控制构件的破坏形态。 就 框架 结构而言，主要表现在梁端、柱端、梁柱节点核心区 ，其 做法是用剪力增大系数增大梁端、柱端、以及梁柱节点处的组合剪力值，并用增大后的剪力设计值进行受剪控制截面控制条件，进行验算和设计。 具体方法如下： （ 1） 直接对一跨梁 左、右 端 逆 时针 或 顺时针 方向 截面 的组合弯矩 设计 值乘以 梁剪力增大系数 cb ，再与梁上作用的竖向重力荷载代表值一起从平衡关系中求得梁端剪力。 绵竹某机械厂图 8 2020 届土木工程专业 —— 毕业论文 11 （ 2） 沿 逆 时针或顺时针方向 求得一跨梁两端截面按实际配筋能够抵抗的弯矩，对其乘以增大系数，再与梁上作用的竖向重力荷载代表值一起从平衡关系中求得梁端剪力。 与非 延性 抗震 结构 相比， 框架结构延性抗震设计的“强剪弱弯” 主要表现在提高作用剪力 和 调整抗剪承载力两个方面 ： 讨论如何提高 作用剪力 作用剪力的提高， 与多方面的因素有关 （ 如 抗震等级、设防烈度等） ，这 在我国相关规范里 都 有明确的规定。 梁作用剪力 为保证框架梁在地震力作用下呈梁铰型延 性机构，减少梁端塑性铰区发生脆性剪切破坏的可能性，梁端的斜截面受剪承载力应高于正截面受弯承载力，即应将框架梁设计成“强剪弱弯”构件。 《高层建筑混凝土结构技术规程》 JGJ 3— 2020 中 规定： 四级抗震等级的框架梁可直接取考虑地震作用组合的剪力计算值 ，不作提高要求。 但对于 一、二、三级 抗震等级 框架梁 的 剪力设计值 ，应 按 “强剪弱弯”的抗震设计目标 , 根据梁端弯矩调整梁端剪力设计值， 由 下式计算：   Gbnrblbvb VlMMV  。 对于 9 度抗震设计的结构和一级抗震 的框架结构尚应符合：   Gbnrbualbua VlMMV 。 其中， vb — 梁剪力增大系数 ，一 、二、三级分别取 、 和 ， GbV — 考虑地震作用组合的重力荷载代表值（ 9 度时还应包括竖向地震作用标准值）作用下，按简支梁分析的梁端截面剪力设计值。 我国规范规定的框架梁作用剪力的提高方法，基本上能保证“强剪弱弯”的延性抗震设计要求。 柱作用剪力 为提高柱的延性， 对于 一、二、三级抗震等级的框架结构，框架柱的设计除了应满足“强柱弱梁”的要求外，还应 满足“强剪弱弯”的要求，即柱的斜截面受剪承载力应大于正截面受弯承载力， 抗震设计框架 柱 的剪力设计值， 在《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3— 2020 中 有明确 规定： 一、二、三级时应按下列公式计算 ：   nbctcvc HMMV  ， 9 度抗震设计的结构和一级抗震的框架结构尚应符合：   nbcuatcua HMMV  ， 其中， vc— 柱端 剪力增大系数 ， 一 、二、三级分别取 、 和 ， 四级 抗震设计的框架柱， 取相应的内力组合所得的最 大剪力作为剪力设计值。 梁柱节点 作用剪力 而 梁柱节点， 抗震设计时，一、二级框架的节点核心区应按 《高层建筑混凝土结构技 2020 届土木工程专业 —— 毕业论文 12 术规程》 JGJ 3— 2020 中 附录 C 进行抗震验算；三、四级框架节点以及各抗震等级的顶层端节点核心区，可不进行抗震验算。 此外， 各 级 抗震等级的框架节点 还 应符合 相应的 构造措施要求。 对 于 9 度 抗震设计 及一级抗震等级的框架结构，考虑。