512特大地震后对框架结构的延性抗震设计的重新思考.docx
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512特大地震后对框架结构的延性抗震设计的重新思考
目录
1概述……………………………………………………………………………………4
2强柱弱梁设计探讨……………………………………………………………………5
2.1粱铰机构方案讨论……………………………………………………………6
2.2梁柱铰机构方案讨论…………………………………………………………6
3强剪弱弯设计探讨……………………………………………………………………10
3.1讨论如何提高作用剪力………………………………………………………11
3.1.1梁作用剪力……………………………………………………………11
3.1.2柱作用剪力……………………………………………………………11
3.1.3梁柱节点作用剪力……………………………………………………11
3.2讨论如何调整抗剪承载力……………………………………………………12
4构造措施设计探讨……………………………………………………………………13
4.1讨论梁的构造措施……………………………………………………………13
4.2讨论柱的构造措施……………………………………………………………14
4.3讨论节点的构造措施…………………………………………………………15
5结论……………………………………………………………………………………17
参考文献…………………………………………………………………………………18
致谢……………………………………………………………………………………19
512特大地震后对框架结构的延性抗震设计的重新思考
专业:
土木工程教育姓名:
景正凤
指导老师:
莫忧
摘要:
框架结构虽具有良好的抗震性能,但在512特大地震中,被破坏的框架结构房屋所占的比重和由此造成的损失仍相当大。
为此,我们现应对框架结构的抗震设计作重新思考,保证框架结构在破坏前具有良好的延性,而结构抗震的本质就是延性,提高延性可以增加结构抗震潜力,增强结构抗倒塌能力。
对于有较高延性要求的框架结构,必须使用能力设计法进行有关设计,保证结构的延性,以提高框架结构的抗震性能。
关键词:
框架结构;延性;地震;抗震设计
May12afterthemajorearthquakeontheframeworkoftheSeismicDesignofductilityrethink
Professional:
CivilEngineeringEducation Name:
JingZhengfeng
Tutor:
MoYou
Abstract:
Althoughtheframestructurehasagoodseismicperformance,intheMay12earthquakeinthelarge,thedestructionoftheframeworkisstillaconsiderablenumberofhousing,andtheenormousloss.Tothisend,wearenowframestructuredealwiththeseismicdesignforre-thinkingtoensurethatthedestructionofpre-framestructurehasagoodductility,However,thestructureearthquakeresistance'sessenceisaductility,improvetheductilitycanincreasethepotentialforseismicstructure,andenhancetheabilityofthecollapseofthestructure.Forahigherductilityrequirementsofthestructuralframeworkmustbeusedto
abilitydesignlawtocarryontherelateddesigntoensurethatthestructureofductility,toenhancethestructuralframeworkoftheseismicperformance.
Keywords:
Framedstructure;Ductility;Earthquake;Aseismaticdesign
前言
2008年5月12日14时28分,四川汶川发生里氏8.0级特大地震。
一时天崩地裂,路毁桥断,房屋垮塌,一条条鲜活的生命瞬间被无情吞噬,无数的家庭毁于一旦,而成千上万的受伤者,还在泥土和瓦砾中挣扎……汶川特大地震牵动着全国人民的心。
地震造成大量人员伤亡和财产巨大损失,主要是由建筑物破坏所引起。
作为一名土木工程专业本科生,深感肩上责任重大。
痛定思痛,需要我们深刻反思,吸取教训,重视抗震建筑,以最大限度的减少地震造成的损失。
据统计,我国是世界上地震多发国家之一,大陆地震约占世界大陆地震的三分之一,需要考虑抗震设防的地域辽阔。
历次强震经验表明,地震是对建筑结构延性抗震能力的直接检验。
地震造成的人员伤亡和经济损失,主要是因为房屋破坏和工程结构倒塌引起的。
目前,应用得比较多的一种结构形式是框架结构,这种结构平面布置灵活、延性好,不足的是框架结构抗侧刚度较小,地震时结构将产生较大的侧向位移。
国内外的震害也表明,由于框架结构地震时层间变形大,即使是遭遇不大的地震,它的非结构构件如填充墙、女儿墙等也很容易破坏。
如图1所示:
汶川某汽车修理厂,五层框架结构,其破坏的主要原因是:
墙体受剪承载力低,变形能力小,墙体与框架缺乏有效的拉结,在往复变形时墙体很容易发生剪切破坏和散落。
另外,由于框架结构填充墙的刚度大而承载力较低,会首先承受地震作用而遭破坏。
一般7度即出现裂缝,8度和8度以上地震作用下,裂缝明显增加,甚至部分倒塌。
而5·12汶川地震为8.0级特大地震,震级相当大,这也是引起墙体倒塌的原因。
因此,研究框架结构的延性抗震性能在我国具有充分的必要性,重视框架结构的延性抗震设计,提高其结构的延性抗震性能是减轻地震灾害的根本途径。
1概述
地震是至今人类不能防御的天灾,但随着科技的发展,减少大地震造成的损失却完全可以做到。
这其中最主要的是应高度重视发展抗震建筑,保证建筑物在受震破坏前,具有一定的延性。
5·12特大地震后,我们应对框架结构的延性抗震设计作重新思考,这也主要是强调“延性结构”,增加结构的延性以在地震中获得较大的变形耗能。
大量震害表明,能随地震一起摆动的建筑物一般不容易倒塌,其延性较好。
如图2所示:
汶川某工地旁民用楼房,五层框架结构,在5·12汶川8.0级特大地震作用下,楼房虽已严重变形倾斜,但生存空间仍在,如此高的烈度,也算是比较成功的抗震设计。
其原因就在于:
这幢房屋在地震中获得了较大的变形耗能,柔韧性比较好,能随地震一起摆动,具有一定的抗侧刚度。
而有些建筑物的建筑结构虽未遭破坏,但却整幢房屋倒塌了,其原因就在于它们的延性不同。
日本和美国在提高房屋建筑结构延性方面有一定的经验,它们是在高层建筑物的基础中采用“地基地震隔绝”技术,在建筑物的底部安装橡胶弹性垫或摩擦滑动承重座等抗震缓冲装置,以防止建筑物在地震中断裂,并增强其柔韧性。
我们知道,由于混凝土构件从材料上看是脆性的,或者说变形能力很小。
因此,在进行框架结构抗震设计时,不仅应使框架结构具有足够的承载能力,还应有良好的塑性变形能力(结构延性)和合理的破坏机制。
实现上述要求的框架结构,可称为延性框架结构。
要设计延性框架结构,就必须合理地设计梁、柱构件及其节点区,防止构件过早发生脆性破坏,控制构件破坏先后顺序,形成合理的破坏机制。
此外,在框架结构中还应重视塑性铰设计,由于每一个塑性铰的塑性转动都要吸收和耗散一部分地震能量,它是以塑性铰的出现来改善结构的延性,并保证结构不至形成破坏机构的。
因而在框架结构延性抗震设计时应遵循“强柱弱梁”、“强剪弱弯”、“强节点、强锚固”的设计原则。
在二十世纪70年代后期,新西兰知名学者T.Paulay和Park提出的框架结构在设计地震力取值偏低的情况下具有足够延性的一种结构延性抗震设计方法——能力设计法(capacitydesign)。
该方法是基于非弹性性能对结构抗震能力贡献的理解和超静定结构在地震作用下实现具有延性破坏机制的控制思想提出的,可有效保证和达到结构抗震设防目标,同时又使设计做到经济合理。
其核心思想为:
通过“强柱弱梁”引导结构形成“梁铰机构”或者“梁柱铰机构”;通过“强剪弱弯”避免结构在达到预计延性能力前发生剪切破坏;通过必要构造措施使可能形成塑性铰的部位具有必要的塑性转动能力和耗能能力。
从以上三个方面保证使结构具有必要的延性。
框架结构作为常见的结构形式,当然其延性设计也主要是从这三个方面来体现的。
要使框架结构具有良好延性,就必需保证框架梁柱有足够的延性,而梁柱的延性是以其截面塑性铰的转动能力来度量的。
因此框架结构延性抗震设计的关键是梁柱塑性铰设计。
为此,理应遵框架结构延性设计思想——能力设计法(capacitydesign)核心思想:
“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点和强锚固”。
本文通过以512特大地震后对框架结构的延性抗震设计的重新思考为例,提出并阐述自己对框架结构的延性抗震设计的理解和认识,探讨了“强柱弱梁、强剪弱弯”以及构造措施的设计。
2强柱弱梁设计探讨
如图3所示,为强柱弱梁型框架。
由结构动力反应分析表明,结构的变形能力和破坏机制有关。
常见有三种典型的耗能机构,即“梁铰机构”、“柱铰机构”、“梁柱铰机构”。
“梁铰机构”和“梁柱铰机构”的梁先屈服,可使整个框架有较大的内力重分布和能量消耗能力,极限层间位移大,塑性铰数量多,不会因个别塑性铰失效而结构整体失效。
因而抗震性能好,是框架结构理想的耗能机构。
我国规范采用的是允许柱子出铰的梁柱铰方案,采取相对的“强柱弱梁”措施,推迟柱子的出铰时间。
但这样不能完全排除出现薄弱层的柱铰机构的可能性,因而需要限制柱子的轴压比
,必要时应通过时程分析法判断结构的薄弱层,防止出现柱铰机构。
在地震作用下,框架结构中塑性铰出现的位置或顺序是不同的,这将使框架结构产生不同的破坏形式。
塑性铰可能出现在梁上,也可能出现在柱上,但是不允许在梁的跨中出铰,梁的跨中出铰将导致局部破坏。
这就是“强柱弱梁”的设计原则,它实际上是控制塑性铰的位置。
下面首先对出铰的合理部位进行讨论,各国大致的思路差不多,都偏向于使梁端先于柱端出铰的方案。
归纳起来,这种出铰方案的优点有如下三个方面:
(1)粱的延性易于控制,且一般情况下比柱的延性大;
(2)梁铰比柱铰形成的整体塑性变形小;
(3)梁铰机构形成的塑性变形比较稳定。
2.1粱铰机构方案讨论
“梁铰机构”,其具体措施是人为地较大幅度增加柱端的抗弯能力,使除底层柱底以外的各柱端在较强地震作用下,原则上不进入屈服后状态,即不出现塑性铰。
由于柱端原则上不进入屈服,曲率较小,因此对除底层柱底的其它各层柱端不必提出严格的轴压比控制条件,即不必一定要把柱端的受力状态控制在离大、小偏心受压界限状态尚有一定距离的延性较好的大偏心受压状态。
这种机构主要靠梁端出铰来耗散地震能量。
在承认优先形成梁铰的前提下,国外还有两种不同的设计方法:
一种是由新西兰为代表的,倾向于形成理想的粱铰机构,就是保证梁端出现塑性铰,而柱子除底层外,均不出现塑性铰。
此时对除底层柱外给柱子相对于梁比较大的超强系数(大概2.0),好处是这时柱子(除底层外)不需要进行复杂的配箍,因为采用这样的系数能保证出铰很明确。
但正是由于这种设计方法追求理想的粱铰机构导致底层柱子相比较弱,就有出铰的可能,相应就必须采用构造措施保证这个部位的塑性变形性能。
同时,若底层柱出铰对结构的影响就会较大,一旦压溃可能会导致结构的整体倒塌,这就必须从构造上给予保障,增加了构造的难度。
另一种方案是以美国为代表的,这种方案引导结构柱铰晚于梁铰出现,同时可不限制铰的出现,但要求结构不形成侧移结构,这时对柱子的超配系数比起新西兰要求的要小(大概1.4),同时对柱子采用配箍筋加以约束的方案。
其实对柱子采用超配系数的确定问题比较复杂,要受很多因素的影响。
如梁端构造的超配的影响;梁柱端塑性铰出现内力重分布的影响;屈服前的非弹性特征可能使柱子的实际弯矩大于弹性分析得到的弯矩;材料差异所带来的不确定因素;结构非弹性特征的发育导致结构动力特性变化所带来的影响等等。
2.2梁柱铰机构方案讨论
“梁柱铰机构”实质上就是在一定程度上人为增大柱的抗弯能力,因此,从总体上说,柱端虽然与梁端相比相对较强,但在强震或特大地震作用下,柱端仍有可能进入屈服,只不过梁端出现塑性铰的机会较多、较早,塑性转动较大;柱端塑性铰则出现相对较迟,塑性转动相对较小。
只要对柱的轴压比控制较严,使柱端不出现小偏心受压和离大、小偏心受压分界状态过近的大偏心受压情况,再通过加强对柱端塑性铰区的约束,就可以使柱端具有所需的塑性转动能力且不致压溃。
这种机构主要靠梁柱共同出铰来耗散地震能量。
我国规范选择的是第二种方案,即“梁柱铰机构”。
这即是我们通常所说的“强柱弱梁”。
为了实现能力设计方法(capacitydesign)中的强柱弱梁机构,通常的做法是对柱截面的组合弯矩乘以增大系数;也可以对由梁端实际配筋反算出梁端可抵抗弯矩,即实配弯矩乘以增大系数的方法来实现,并用增大后的弯矩值进行柱端控制截面的承载力设计。
对比以上两种机构,由理论分析表明,前者实际上是提高了柱的强度,加强了柱的弹性变形能力。
在实际配筋当中,纵筋用量相对较多,箍筋用量相对较少;后者实际上是提高了柱的塑性变形能力(延性),在实际配筋当中,纵筋用量相对较少,箍筋用量相对较多。
应当注意的是,在梁端和柱端的塑性铰,都必须具有延性,才能使结构在形成机构之前,结构可以抵抗外荷载并具有延性。
而强梁弱柱型结构的塑性铰首先出现在柱中,破坏时只跟最薄弱层柱的强度和延性性能有关,与其他各层梁柱的承载能力和耗能能力均没有发挥作用。
如图4所示:
北川县第一中学,五层框架结构教学楼,在5·12汶川8.0级特大地震作用下,只剩下了上三层。
其主要原因是:
结构破坏时一、二层梁的延性远大于柱的延性,柱抗弯能力较小,导致梁的强度和延性还没有充分发挥,柱就已被压碎,由于柱中首先出现塑性铰,形成几何可变体系,在地震力的往复作用下,不能继续承受外荷载,而发挥整体抗震能力,最终引起这两薄弱层结构垮塌。
而强柱弱梁型结构的塑性铰首先出现在梁中,当部分梁端甚至全部梁端均出现塑性铰时,结构仍能继续承受外荷载,而只有当柱子底部也出现塑性铰时,结构才达到破坏。
因此,较合理的框架破坏机制应是梁比柱的塑性屈服尽可能早发生和多发生,底层柱柱根的塑性铰较晚形成,各层柱子的屈服顺序应错开,不要集中在某一层。
这种破坏机制的框架就是强柱弱梁型框架。
如图5所示:
红白镇街道旅馆,四层框架结构,从图中可以看出,端墙中的钢筋混凝土柱作用十分明显,在5·12汶川8.0级特大地震作用下,部分梁端虽出现塑性铰,已破坏,但这时结构仍能继续承受外荷载而不至倒塌。
其主要原因是:
柱的线刚度与梁的线刚度相比相对较大,柱的塑性转动相对较小,因而柱子受弯承载力较大,在强震或特大地震作用下,框架的塑性铰会首先出现在梁端,这可以使结构在破坏前有较大的变形,吸收和耗散较多的地震能量,具有较好的抗震性能。
当然,柱端也有可能进入屈服状态,出现塑性铰,但它会较梁端出现塑性铰的机会较少或较迟,这样就避免柱中出现塑性铰而形成柱铰型破坏机构。
比如:
我们的邻国日本是一个地震多发的国家,据统计,每年发生有感地震约1000多次,全球10%的地震均发生在日本及其周边地区。
近年来,日本不断加大房屋抗震的新技术开发,探索房屋结构延性抗震的新思路。
日本政府也十分重视发展抗震建筑。
如图6所示:
为日本的一幢抗震建筑。
从图中可以看出,日本的这幢框架结构建筑设置了多道抗震防线,3层的人字支撑,在结构中就是多余约束,提供多道防线,在地震作用下,首先破坏的应该是这种赘余约束。
通过这种赘余构件的变形、破坏吸收和耗散地震能量,达到保护主体结构不被破坏的目的,也起到“大震不倒”的目的。
我们常见的“强柱弱梁”的调整措施实质上就是要人为增大柱子的抗弯能力,诱导框架在梁端先出现塑性铰。
这是考虑到柱中实际弯矩在地震作用下可能增大,在结构出现塑性铰之前,结构构件因受拉区混凝土开裂和受压区混凝土的非弹性性质,钢筋与混凝土之间的粘结退化,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》GB50011—2001和《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3—2002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
可知,轴压比越大,构件的延性越差,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》GB50011—2001中6.2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0.15者外,柱端考虑地震作用组合的弯矩设计值应按公式:
予以调整,
—柱端弯矩增大系数,一、二、三级分别取1.4、1.2和1.1。
9度抗震设计的结构和一级框架结构尚应符合
,
—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》JGJ3—2002中6.2.2和《混凝土结构设计规范》GB50010-2002中11.4.3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1.5、1.25和1.15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8.0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》GB50010-2002中11.4.2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1.4、1.2、1.1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8.0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》JGJ3—2002中6.2.4和《建筑抗震设计规范》GB50011—2001中6.2.6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1.10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
,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。
(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:
3.1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。
3.1.1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》JGJ3—2002中6.2.5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:
。
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:
。
其中,
—梁剪力增大系数,一、二、三级分别取1.3、1.2和1.1,
—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。
3.1.2柱作用剪力
为提高柱
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