浅谈钢筋混凝土框架结构的静力弹塑性及延性设计

浅谈钢筋混凝土框架结构的静力弹塑性分析及延性设计摘要：本文简述了静力弹塑性分析的基本原理及其在结构延性设计中的应用，以及钢筋混凝土框架结构在地震作用下的耗能机理。根据我国抗震设计的基本原理,阐述了钢筋混凝土框架结构的延性设计原则,分别对框架结构的梁、柱及节点的延性设计进行了探讨。关键词：框架结构Push_over分析延性设计ElementaryintroductiontothePush_overanalysisofthereinforcedconcreteframestructureandductilitydesignAbstract：ThebasicprinciplesandusefulnessofPush_overanalysiswasdescribedbriefly.Andthemechanismofenergydissipationoftheframeworkofthereinforcedconcretestructureintheearthquakewasoutlinedaswell.AccordingtoChina'sbasicseismicdesignprinciples，ductilitydesignprinciplesofthereinforcedconcreteframestructurewasdescribed.Andductilitydesignofbeam,columnandnodeoftheframeworkwasdiscussed.Keywords：FramestructurePush_overanalysisductilitydesign一、概述目前，在我国的多高层建筑中,钢筋混凝土框架结构这种结构形式。因其具有结构形式简单，良好的延性和较强的整体性等优点而被广泛用于地震设防地区。结构延性的大小是罕遇地震下结构进入屈服阶段后，结构抗震能力优劣的重要表现。由于结构进入屈服阶段后已无承载力储备可言，为了抵御地震作用，只能靠发展塑性变形来吸收和消耗地震能量，从而达到结构抗倒塌的目的。目前的抗震结构均为超静定结构,超静定结构屈服破坏时会产生塑性铰,塑性铰的转动能力决定了结构的延性,因此,对抗震结构的延性设计主要集中在对结构构件塑性铰的研究设计上。Push_over分析方法对于屈服的构件采取的常用方法是屈服部分看作塑性铰来对待处理,对塑性铰的研究也是Push_over方法的一个重要内容,由此可见,结构的延性设计和Push_over方法在塑性铰问题上具有广阔的研究合作领域,使两者合理有效的工作成为国内外研究的热点课题。二、静力弹塑性分析静力弹塑性分析法，也称推覆分析法(Push_overanalysis)是近年来在国外得到广泛应用的一种结构抗震能力评价的新方法，其应用范围主要集中于对现有结构或设计方案进行抗侧力能力的计算，从而得到其抗震能力的估计。这种方法从本质上说是一种静力非线性计算方法，与以往的抗震静力计算方法不同之处主要在于它将设计反应谱引入了计算过程和计算成果的工程解释。Push_over分析方法是一种近似简化法，实际上是一种反应谱分析法。它将沿高度为某种分布的水平力，静态、单调地施加在结构上，求得内力和侧移，判别结构的破坏状态；逐步增加这个水平力，使结构依次进入塑性，直到产生的位移超过限值或认为结构变为机构接近倒塌为止，从而求得恢复力—位移曲线，称之为荷载增量分析。然后根据振型分解理论，通过单自由度弹性体系反应谱求得地震下的位移。Push_over分析不仅能够对结构在多遇地震作用下的弹性反应谱计算结果进行检验，更重要的是可以对结构在遭受罕遇地震后可能出现的破坏状况进行较精确的分析,比现行抗震规范下薄弱层(部位)弹塑性变形计算更进一步。与时程分析法相比,Push_over分析实施方便,概念清晰,同时也能使设计人员在一定程度上了解在强震作用下的反应,迅速找到薄弱环节。Push_over分析的关键问题是选择合理的侧向荷载分布模式国内外很多的学者都做过专门的研究了很多种不同的侧向荷载分布方式，但总体上可以分为两种：固定的侧向荷载分布方式和适应性的侧向荷载分布方式。在某些中，高振型对结构反应的影响较小且同时在不同侧向荷载分布方式作用下得到的结构破坏方式也相似，选择适合的固定的侧向荷载分布方式是可以对结构单元的变形要求提供较好的预测的。但当结构在地震作用中形成局部塑性机构而动力性质发生改变的时候,上述的固定的侧向荷载分布方式都不能够反映这种惯性力的重分布情况。而应用适应性的侧向荷载分布方式可以更好的反映惯性力随时间的变化。因而相对于固定分布方式而言,选用适应性的分布方式是较为合理的。所谓适应性的分布方式,是指根据加载过程中结构塑性铰的发展,不断调整侧向荷载的分布方式。通过结构的Push_over分析的阶段加载，可以清晰发现结构的塑性铰发展部位及发展过程。在钢筋混凝土结构中,塑性铰与延性有着很密切的关系，钢筋混凝土结构在罕遇地震作用下，结构的塑性铰发展合理与否直接体现结构的整体抗震性能及破坏形式。三、钢筋混凝土框架结构的塑性铰钢筋混凝土多层框架结构的组成构件框架梁和框架柱，当纵向受拉钢筋在某截面达到屈服后，在弯矩增加不多的情况下，截面的变形和曲率急剧增大，表明截面已进入屈服阶段，在该截面附近的混凝土，不论是受拉区还是受压区都产生很大的局部变形，受压区形成集中的塑性变形区域，当截面弯矩达到极限弯矩时，转角急剧增大，相当于出现一个“铰”，这种允许钢筋混凝土多层框架某些部位所出现的塑性变形，被称之为塑性铰。塑性铰使该截面无限靠近的相邻截面产生沿弯矩增大方向发生有限相对转角。塑性铰的形成主要是由于纵向钢筋进入屈服阶段的应力不断增加、同时应变也继续增大、并且受压区混凝土产生塑性变形引起的，塑性铰的转动能力取决于混凝土的变形能力。钢筋混凝土多层框架梁和框架柱的塑性铰与桁架节点处的铰接节点不同，如果忽略其不大的摩擦力，桁架的铰不能传递任何弯矩，而只能不受限制的转动，但塑性铰能够传递相应于截面屈服的极限弯矩，只能在极限弯矩作用下使截面沿极限弯矩的方向作有限转动，因此说塑向铰是单向铰，其转动能力与混凝土的极限应变及配筋率有关。框架结构在抗震设计中允许在某些部位形成塑性铰，而不产生结构的局部脆性剪切破坏或局部受压破坏，因此这种结构在强烈的地震荷载作用下，不仅仍然具有一定承载能力，而且还具有承受较大的变形能力，并通过结构的变形来吸收和耗散地震能量，防止结构整体破坏。四、钢筋混凝土框架结构延性设计延性是指一个构件或结构体系在强度没有实质性降低的情况下，通过大幅度非弹性变形来耗散地震能量的能力。延性也可以简单地理解为，受弯构件在受拉钢筋屈服之前，不产生受剪或受压的脆性破坏，受压构件不产生受剪脆性破坏的能力。考虑结构延性进行设计有两个大的方向,一个是延性的确定性设计,另一个是延性的非确定性设计。确定性研究主要是指我们如何把延性指标具体化,如何对延性进行精确的计算。在这方面,很多学者和设计专家作了很多的研究工作但结果并不理想。延性的非确定性研究实际上就是如何更好的把延性的研究成果用于结构抗震的概念设计。比如,我们可以通过我们做的各种结构抗震分析的试验以及我们做的抗震理论研究分析各种结构和构件的延性主要受哪些因素的影响:截面尺寸、材料性质、剪跨比、轴压比、体积配筋率、箍筋形式等各种因素都可能影响结构的延性。钢筋混凝土多层框架具有良好的抗震性能，是由其具有良好的延性和整体性保证的，一方面在地震荷载作用下，当构件进入屈服阶段后，如果结构具有良好的塑性变形能力，则能通过其结构的塑性变形，来吸收地震作用所产生的能量，使结构仍能维持一定的承载能力，说明结构具有良好的延性。另一方面，钢筋混凝土多层框架的多次超静定结构体系，使之形成一种整体性非常良好的节点刚性连接的几何不变结构，能允许框架的某些部位出现塑性变形以后，仍然具有承载能力而结构不致倒塌破坏。在设防水准和罕遇水准的地震作用下结构会出现相应的非弹性反应,这就要求结构具有相应的延性。我国的钢筋混凝土设计规范没有对抗震结构的延性系数提出具体要求,但是在计算和构造的规定中给出了一定的措施,也就是我们通常所说的概念设计。这些具体措施包括如下一些内容。1.强柱弱梁的结构形式秘强柱弱梁的结斜构形式智,净有利于发挥梁摊的良好塑性转讲动能卧力体,硬柱原则上不出念现塑性编铰浮,锡尽量保证筝框架柱批处于弹性变形筐。在钢筋混凝巡土寻框架劳结构华中钢,戚除去底层柱之冠外的所有楼层涨中都基本上保干持弹性不屈服炮。在底层柱的宴底部部位允许胳以这些竖向构两件稳定的、得句到控制的塑性题铰或土壤变形跟和基础构件在星地基上摇动的妈方式形成明显惹的转动。爬但爪应严格避免伏塑性铰大量出损现在柱坑端诱,煌形成柱铰机粮制召,好这种情况下塑性性铰的数目杀少趣,厉总的耗能能力籍小裹,张在押房屋师侧向位移相同隆的情况兔下闪,填柱铰机制将塑勇性变形集中在参一泽层像,乔使该层比在梁排铰机制下有大修得多的塑性铰氏转扑动公,绪这样可能导致沙结构某层的层鹅间位移偏达大段,既形成薄弱陈层园,禾容易导致房屋粉倒塌。桶现代抗震设计毯标准尽力设法毅将结构的延性筝需要舌与耗能能力棚分散给所有的叛梁落,宗并通过加强竖絮向构豆件浩,怠使竖向构件除挽底层底部外的挣其他部位均保贵持弹性不屈服如来避免形成薄踏弱层。为缓此础,答通常是把柱的妙抗弯能力设计吴得更强。柱的盯设计弯矩是在洁设计地震作用插的结构线弹性欠分析结果基础使上适当人为增疏大得到厦的竿,裹或者是根据同央一个节点的各艇根梁端实际抗缎弯能啊力陶(竖还应考虑现浇沉板可能具有的雕作纳用载)太进行级差系数艇调大导出。而拍框架梁端的正篇截面设计是按后照在设计地震杏作用与准永久霉重力荷载组合彼下的结构线弹覆性分析求得的肤弯矩来进行的泥。阵这些设计原则起在语《泽混凝土疲结构设计灿规范拴》维或湾《轮高规括》中课均有相应的要勇求。腹2虽.奴强剪弱弯的设惧计原则传延性设计时应坑避免结构在达伤到所需的变形饱或所要抵抗的碍弯矩之凳前瓣,打过早地出现脆刮性剪切破蚁坏未,氧构件截面发生经非延性失效。饮在框架结构中笛不发生梁、柱笋的先期剪切失役效和梁柱节点嫂核心区的剪切正失效。如果供说烧“梅强柱弱驶梁伴”犹措施具有全局休性意异义肠,茎“权强剪弱偶弯逮”船措施一般只有耽局部性质。通旦常是通过使构细件相应部位的府抗剪能力得到闯一定的人为增晋强来实现这一派要求级。肌当柱梁的级差最系数较大乘时仆,仍柱在动力反应理的过程中原则径上不出现塑性恰铰坛,兰柱端作用剪力错只需要在设计灾计算所得的组财合剪力值基础饮上谷,续考虑塑性铰出坚现过程中的内菌力重分布和非皮弹性高振型反早应造成的柱端铺剪力增大的可第能性。剪力增棒大的幅度通常酷远没有弯矩大痕。只有当地震皆作用占比重较温大或柱弯矩增呈大系数取值较惠小掩时骨,弦才可能在梁、涝柱两端同时出揪现塑性扁铰番,润这时柱的设计锅剪力可以按梁专端实配钢筋对菠应的屈服弯矩含计算。京梁的抗剪能力兆计算公式一般挎以梁端纵筋先丹屈服为条山件篇,枪随着预计达到披的梁端非弹性尽转凉角孤(赢延性要滩求坚)第的增畏大唯,包抗剪能力逐步秃下降。其中还污应考虑塑性铰晚区在两个方向衔交替弯剪过程炉中发生的剪切价滑移的可能性葡和应该采取的皮构造措施。由拾于梁上下纵筋冰数量不一拴样辽,膀故两个方向交呢替弯剪的作用即力大小也不一袄样。柱端在两穗个交替受力方忍向分别形成塑萍性铰孟时舌,想因纵筋屈服后足塑性铰区非弹竖性变形很贪大扁,昂弯曲正裂缝和亮斜裂缝开展更邻宽姨,意混凝土的骨料素咬合作用和纵茄筋的销栓作用莲均有所削弱扩，虏更加由于剪压须区混凝土在交舍替受力下的破畏碎压,畏混凝土剪压区份的抗剪能力也鲁进一步削弱桥，践而且这些削弱恭作用都是随交灯替塑性变形的棵增大而加重的叙。琴3.六其他黎延性构造措施魄要形成耗能性女良好的塑性铰茎侧移机殿构昨,丸就必须通过一月系列的构造措翁施来保证可能蜂出现塑性铰的口各部位在强震陈作用下具有足岩够的塑性变形童能力。这就要添靠精心的构造抹设计来实现。烘对于梁端潜在耽的塑性铰壳区析,霉主要通过控制国受拉纵筋配筋冻率耗,洗限制混凝土受皇压区高严度员,梁布置必要的受协压钢灌筋贤,缸以及通过箍筋巷约束核心混凝种土和纵筋来保百证其延性性质深。对择于豆“得梁柱铰混合机脱构写”响的柱端塑性铰窜区以对及遭“没梁铰机熄构纷”旅中一般都要出深现的底层柱底础塑性铰折区笼,斗则通过限制柱钱子轴压比来防以止小偏压破替坏容,毕同时通过加密阵箍筋来加强对粘核心区混凝土竹及纵筋的约永束悠,老保证柱子具有坑必要的延性性涛质。五、结语南到目前为弊止哲,扛Push_o域ver肃分析互方法作为一种瞧新兴的简化非固线性分析方永法斩,时在国内外都得非到了广泛的应祝用。在它的使如用过程柴中谋,辰处处体现着结聋构延性设计的盾思吉想垄,灯同时它也成为禾结构延性设计袖中的一个重要忽而有效的分析参方法。掩钢筋混凝土结悄构的延性设计侮中，概念设计狗体现着举足轻先重的作用，本共文耕简要地介绍了险钢筋混凝土结念构抗震的延性确概念跃设