关于框架结构破坏机制的探讨 在结构设计工作中框架结构是一种常见的结构形式。了解其破坏机理就能针对体系的薄弱环节, 采取措施予以加强。以提高结构的抗震性能。结构破坏随机性很大, 但仍有一定的规律。建筑结构的破坏机制一般分为两种, 即楼层破坏机制和整体破坏机制, 如图1、图2 所示。
图1 楼层破坏机制(柱端塑性铰) 2 整体破坏机制(梁端塑性铰)
1 框架结构的变形能力与框架的破坏机 制的关系
框架结构的变形能力与框架的破坏机制密切相关。梁的延性通常远大于柱子, 梁先屈服, 可使整个框架有较大内力重分布和能量消耗能力, 极限层间位移增大, 抗震性能较好。在强震作用下, 结构构件不存在强度储备, 梁端实际达到的弯矩与其受弯承载力是相等的, 这是地震作用效应的一个特点。因此, 强梁弱柱指节点处梁端实际受弯承载力M 和柱端实际受弯承载力M 之间有不等a
cy cy
式:∑M >∑M
by 。
这种概念设计, 由于地震的复杂性、楼板的影响和钢筋的超强, 难以通过精确计算真正实现。国外规范多仅作文字规定, 以设计承载力衡量或钢筋抗拉强度乘以超强系数。抗震规范的规定, 只在一定程度上减缓柱端的屈服。当采用梁端实配的正截面抗震受弯承载力所对应的弯矩值来增大时, 要把承载力转换为内力。如果把楼板的钢筋计算在内, 取材料强度标准值并考虑一定的超强系数来估计梁端的实际弯矩, 则可提高框架结构强梁弱柱的程度, 但计算量较大。为此, 对三级框架, 在实配钢筋不超过计算配筋10 %时, 将承载力不等式转为内力设计值之间的关系; 对一级和二级, 则将梁端弯矩设计值乘以不同的增大系数, 使柱端弯矩有不同的提高。一级的实配增大系数考虑了材料和钢筋实际面积两个因素。此系数是近似计算, 既体现上述概念, 又简化计算, 方便使用。例如, 可根据工程经验估计节点左右梁端顺时针或逆时针方向受拉钢筋的实际截面面积与a cy a by
计算面积的比值, 取1. 1 作为最简 单的近似估计, 即增大系数 η=1. 1， λ≈2λ，λ ———节点实配增大系数, 可按节点左右梁 端纵向受拉钢筋的实际配筋面积之和的比值的1. 1 倍采用, 或经分析比较后确定; 对于轴压比小于0. 15 的柱, 包括顶层的柱子在内, 因为具有同梁相近的变形能力, 就不必满足上述要求。
由于地震是往复作用, 两个方向的弯矩设计值均要满足要求, 且柱子考虑顺时针方向之和时, 梁考虑逆时针方向之和, 反之亦然。
2 工程设计方法
在工程设计中应尽量避免结构产生楼层破坏机制, 因为这种破坏机制说明结构在柱中存在着薄弱环节, 即在其他构件承载能力尚未充分发挥作用之前, 整个结构已经提前破坏。当然要使设计完全达到整体破坏机制也不容易的, 因为地震作用本身就是随机的, 有很多不确定的因素, 而且建筑结构在设计和施工中都会出现很多预想不到的情况, 如配筋余量大小, 施工的质量优劣, 最终 j s j
混凝土强度等级的高低, 材料代用差别等等, 都会影响预期的结果, 因此, 在地震作用下, 会出现介于楼层破坏与整体之间的某种破坏机制, 也是完全可以理解的。但是, 工程师的责任和主要任务就是努力实现理想的建筑结构的整体破坏机制, 就是正确布置和掌握塑性铰出现的位置和出现顺序, 也就是尽量使结构达到理想破坏机制。图3、图4 为框架结构的理想破坏机制。
图3 水平地震作用
图3、图4 要求框架结构在地震作用下首先在梁端产生塑性铰, 消耗地震能量。塑性铰出现后结构刚度会明显下降, 结构计算简图发生变化, 振动周期加长, 地震作用减小, 结构受力状态自然会得到改善。在这种情况下, 如有强震继续作用, 则必然会使底层柱底弯矩增大, 导致底层柱底最终出现塑性铰, 结构进入整体丧失稳定性状态, 成为几何可变体系。因此在设计中必须千方百计地保证底柱的抗弯和抗剪强度, 这是结构是否会在地震时发生倒塌的关键所在。在设计时要破例提高这一部分结构的可靠度, 以推
迟底层柱塑性铰的出现和提高底层柱的延性。
设计框架梁时, 控制梁端混凝土受压区高度的目的是控制塑性铰区纵向受拉钢筋的配筋率不要过大, 以保证框架梁有足够的曲率延性。钢筋混凝土规范规定, 在计算中, 梁端混凝土受压区高度应符合下列要求: 一级抗震等级x ≤0. 25 h 0 ; 二、三级抗震等级x ≤0. 35 h 0且纵向受拉钢筋的配筋率均不应大于2. 5 %.
框架结构设计中, 应力求做到在地震作用下的框架呈梁铰型延性机构, 为减少梁端塑性铰区发生脆性剪切破坏的可能性, 对框架梁提出了梁端斜截面受剪承载力应高于正截面受弯承载力的要求, 即强剪弱弯的设计概念。
3 工程设计中需注意的问题:
(1) 在框架计算中将梁的固端弯矩进行适当调幅是达到理想破坏机制的手段之一。梁调幅以后, 对梁的支座来说是不利的。在强地震作用下可能在支座处较早地出现塑性铰。但是, 对整个框架结构来说是有利的, 可
以提高框架的延性。
(2) 框架梁的下部钢筋如不是计算需要和构造要求, 以不伸入柱中或不完全锚固在柱中为好。一般讲, 框架梁跨中计算下部钢筋都是大于支座计算下部钢筋, 尤其是框架计算进行调幅以后是这样。这就需要把跨中下部钢筋在伸入柱中锚固以前, 把计算和构造不需要的部分下部钢筋截断, 否则框架梁在地震作用下, 由于梁支座处下部配筋过多, 很难达到屈服状态, 为了使梁先达到屈服状态就必须在柱中配置更多的钢筋, 这样, 既不经济也没有必要。
(3) 人为地对不同构件的不同部位给予不同的安全度等级, 或者在配筋时, 人为地作些增减, 使结构各构件在使用阶段和地震作用下都能充分发挥作用, 使设计更合理, 当然这绝不是说要用更多的材料。正如前面所提到的, 对框架结构的底层柱, 提高其抗剪和抗弯可靠度是完全必要和合理的; 否则将使其设计成弱柱强梁, 在强地震作用下就会出现楼层破坏机制, 成为不稳定体系, 使全层柱断光, 建筑坍塌。这样的震害实例在日
本十胜冲、宫城县冲和美国圣费南多地震中发生不少。弱柱是框架结构的致命弱点, 是结构设计的禁忌。
关于框架结构破坏机制的探讨 在结构设计工作中框架结构是一种常见的结构形式。了解其破坏机理就能针对体系的薄弱环节, 采取措施予以加强。以提高结构的抗震性能。结构破坏随机性很大, 但仍有一定的规律。建筑结构的破坏机制一般分为两种, 即楼层破坏机制和整体破坏机制, 如图1、图2 所示。
图1 楼层破坏机制(柱端塑性铰) 2 整体破坏机制(梁端塑性铰)
1 框架结构的变形能力与框架的破坏机 制的关系
框架结构的变形能力与框架的破坏机制密切相关。梁的延性通常远大于柱子, 梁先屈服, 可使整个框架有较大内力重分布和能量消耗能力, 极限层间位移增大, 抗震性能较好。在强震作用下, 结构构件不存在强度储备, 梁端实际达到的弯矩与其受弯承载力是相等的, 这是地震作用效应的一个特点。因此, 强梁弱柱指节点处梁端实际受弯承载力M 和柱端实际受弯承载力M 之间有不等a
cy cy
式:∑M >∑M
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这种概念设计, 由于地震的复杂性、楼板的影响和钢筋的超强, 难以通过精确计算真正实现。国外规范多仅作文字规定, 以设计承载力衡量或钢筋抗拉强度乘以超强系数。抗震规范的规定, 只在一定程度上减缓柱端的屈服。当采用梁端实配的正截面抗震受弯承载力所对应的弯矩值来增大时, 要把承载力转换为内力。如果把楼板的钢筋计算在内, 取材料强度标准值并考虑一定的超强系数来估计梁端的实际弯矩, 则可提高框架结构强梁弱柱的程度, 但计算量较大。为此, 对三级框架, 在实配钢筋不超过计算配筋10 %时, 将承载力不等式转为内力设计值之间的关系; 对一级和二级, 则将梁端弯矩设计值乘以不同的增大系数, 使柱端弯矩有不同的提高。一级的实配增大系数考虑了材料和钢筋实际面积两个因素。此系数是近似计算, 既体现上述概念, 又简化计算, 方便使用。例如, 可根据工程经验估计节点左右梁端顺时针或逆时针方向受拉钢筋的实际截面面积与a cy a by
计算面积的比值, 取1. 1 作为最简 单的近似估计, 即增大系数 η=1. 1， λ≈2λ，λ ———节点实配增大系数, 可按节点左右梁 端纵向受拉钢筋的实际配筋面积之和的比值的1. 1 倍采用, 或经分析比较后确定; 对于轴压比小于0. 15 的柱, 包括顶层的柱子在内, 因为具有同梁相近的变形能力, 就不必满足上述要求。
由于地震是往复作用, 两个方向的弯矩设计值均要满足要求, 且柱子考虑顺时针方向之和时, 梁考虑逆时针方向之和, 反之亦然。
2 工程设计方法
在工程设计中应尽量避免结构产生楼层破坏机制, 因为这种破坏机制说明结构在柱中存在着薄弱环节, 即在其他构件承载能力尚未充分发挥作用之前, 整个结构已经提前破坏。当然要使设计完全达到整体破坏机制也不容易的, 因为地震作用本身就是随机的, 有很多不确定的因素, 而且建筑结构在设计和施工中都会出现很多预想不到的情况, 如配筋余量大小, 施工的质量优劣, 最终 j s j
混凝土强度等级的高低, 材料代用差别等等, 都会影响预期的结果, 因此, 在地震作用下, 会出现介于楼层破坏与整体之间的某种破坏机制, 也是完全可以理解的。但是, 工程师的责任和主要任务就是努力实现理想的建筑结构的整体破坏机制, 就是正确布置和掌握塑性铰出现的位置和出现顺序, 也就是尽量使结构达到理想破坏机制。图3、图4 为框架结构的理想破坏机制。
图3 水平地震作用
图3、图4 要求框架结构在地震作用下首先在梁端产生塑性铰, 消耗地震能量。塑性铰出现后结构刚度会明显下降, 结构计算简图发生变化, 振动周期加长, 地震作用减小, 结构受力状态自然会得到改善。在这种情况下, 如有强震继续作用, 则必然会使底层柱底弯矩增大, 导致底层柱底最终出现塑性铰, 结构进入整体丧失稳定性状态, 成为几何可变体系。因此在设计中必须千方百计地保证底柱的抗弯和抗剪强度, 这是结构是否会在地震时发生倒塌的关键所在。在设计时要破例提高这一部分结构的可靠度, 以推
迟底层柱塑性铰的出现和提高底层柱的延性。
设计框架梁时, 控制梁端混凝土受压区高度的目的是控制塑性铰区纵向受拉钢筋的配筋率不要过大, 以保证框架梁有足够的曲率延性。钢筋混凝土规范规定, 在计算中, 梁端混凝土受压区高度应符合下列要求: 一级抗震等级x ≤0. 25 h 0 ; 二、三级抗震等级x ≤0. 35 h 0且纵向受拉钢筋的配筋率均不应大于2. 5 %.
框架结构设计中, 应力求做到在地震作用下的框架呈梁铰型延性机构, 为减少梁端塑性铰区发生脆性剪切破坏的可能性, 对框架梁提出了梁端斜截面受剪承载力应高于正截面受弯承载力的要求, 即强剪弱弯的设计概念。
3 工程设计中需注意的问题:
(1) 在框架计算中将梁的固端弯矩进行适当调幅是达到理想破坏机制的手段之一。梁调幅以后, 对梁的支座来说是不利的。在强地震作用下可能在支座处较早地出现塑性铰。但是, 对整个框架结构来说是有利的, 可
以提高框架的延性。
(2) 框架梁的下部钢筋如不是计算需要和构造要求, 以不伸入柱中或不完全锚固在柱中为好。一般讲, 框架梁跨中计算下部钢筋都是大于支座计算下部钢筋, 尤其是框架计算进行调幅以后是这样。这就需要把跨中下部钢筋在伸入柱中锚固以前, 把计算和构造不需要的部分下部钢筋截断, 否则框架梁在地震作用下, 由于梁支座处下部配筋过多, 很难达到屈服状态, 为了使梁先达到屈服状态就必须在柱中配置更多的钢筋, 这样, 既不经济也没有必要。
(3) 人为地对不同构件的不同部位给予不同的安全度等级, 或者在配筋时, 人为地作些增减, 使结构各构件在使用阶段和地震作用下都能充分发挥作用, 使设计更合理, 当然这绝不是说要用更多的材料。正如前面所提到的, 对框架结构的底层柱, 提高其抗剪和抗弯可靠度是完全必要和合理的; 否则将使其设计成弱柱强梁, 在强地震作用下就会出现楼层破坏机制, 成为不稳定体系, 使全层柱断光, 建筑坍塌。这样的震害实例在日
本十胜冲、宫城县冲和美国圣费南多地震中发生不少。弱柱是框架结构的致命弱点, 是结构设计的禁忌。