高层建筑结构与抗震常见问题解答第10章 框架设计与构造

第10章 框架设计与构造

1．作为抗震设计的指标，为什么应是双控制条件？

答：作为抗震设计的指标，应是双控制条件，使结构能同时满足极限强度和极限变形。这是因为一般结构并不具备足以抵抗强烈地震的强度储备，而是利用结构的弹塑性性能吸收地震能量，以达到抗御强震的目的。

2．什么是延性结构？什么是截面曲率延性比？如何表示结构的延性？

答：（1）如果结构在承载能力基本保持不变的情形下，仍能具有较大的塑性变形能力，则称此结构为延性结构。

（2）y ϕ表示截面屈服时的曲率，u ϕ表示截面极限曲率。截面的塑性变形能力常常用延性比来衡量，即

截面曲率延性比 y u ϕϕμϕ=

（3）当承载能力明显下降或结构处于不稳定状态时，认为结构破坏，此时达到极限位移u ∆。结构的延性通常用顶点位移延性比表示，即

y u ∆∆=∆μ

其中Δy 为结构开始进入塑性状态时的顶点位移。

延性比μ是结构抗震性能的一个重要指标。对于延性比大的结构，在地震作用下结构进入弹塑性状态时，能吸收、耗散大量的地震能量，此时结构虽然变形较大，但不会出现超出抗震要求的建筑物严重破坏或倒塌。相反，若结构延性较差，在地震作用下容易发生脆性破坏，甚至倒塌。

3．结构延性的作用如何？

答：结构延性的作用：

（1）防止脆性破坏

由于钢筋混凝土结构或构件的脆性破坏是突发性的，没有预兆，所以为了保障人们生命财产安全，除了对构件发生脆性破坏时的可靠指标有较高要求以外，还要保证结构或构件在破坏前有足够的变形能力。

（2）承受某些偶然因素的作用

结构在使用过程中可能会承受设计中未考虑到的偶然因素的作用，比如说，偶然的超载、基础的不均匀沉降、温度变化和收缩作用引起的体积变化等。这些偶然因素会在结构中产生内力和变形，而延性结构的变形能力，则可作为发生意外情况时内力和变形的安全储备。

（3）实现塑性内力重分布

延性结构容许构件的某些临界截面有一定的转动能力，形成塑性铰区域，产生内力重分布，从而使钢筋混凝土超静定结构能够按塑性方法进行设计，得到有利的弯矩分布，从而使配筋合理，节约材料，而且便于施工。

（4）有利于结构抗震

在地震作用下，延性结构通过塑性铰区域的变形，能够有效地吸收和耗散地震能量，同时，这种变形降低了结构的刚度，致使结构在地震作用下的反应减小，也就是使地震对结构的作用力减小，因此延性结构具有较强的抗震能力。

4．提高结构延性的措施有哪些？

答：根据震害以及近年来国内外试验研究资料，延性框架设计时应注意以下几点：

（1）“强柱弱梁”设计原则—控制塑性铰的位置

在地震作用下，框架中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（图3）。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。

(a) 强柱弱梁型(b) 强梁弱柱型

图3 框架局部破坏图4 框架破坏机构图

由图4可以看出，在框架结构中，塑性铰出现的位置或顺序不同，将使框架结构产生不同的破坏形式。图4(b)所示是一个强梁弱柱型结构，所以塑性铰首先出现在柱中，当某薄弱层柱的上下端均出现塑性铰时，该层就成为几何可变体系，而引起上部结构的倒塌。这种结构破坏时只跟最薄弱层柱的强度和延性性能有关，而与其它各层梁柱的承载能力和耗能能力均没有发挥作用。图4(a)是一个强柱弱梁型结构，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。由此可知，柱中出现塑性铰，不易修复而且容易引起结构倒塌；而塑性铰出现在梁端，却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，因而具有较好的抗震性能。震害调查发现：凡是具有现浇楼板的框架，由于现浇楼板大大加强了梁的强度和刚度，地震破坏都发生在柱中，破坏较严重；而没有楼板的构架式框架，裂缝出在梁中，破坏较轻,从而也证实强梁弱柱引起的结构震害比较严重。

此外，梁的延性远大于柱的延性。这是因为柱是压弯构件，较大的轴压比将使柱的延性下降，而梁是受弯构件，比较容易实现高延性比要求。

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。

（2）梁柱的延性设计

要使结构具有延性，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。因此框架结构抗震设计的关键是梁柱塑性铰设计。为此，应遵循：

1）“强剪弱弯”设计原则——控制构件的破坏形态

适筋梁或大偏压柱，在截面破坏时可以达到较好的延性，可以吸收和耗散地震能量，使内力重分布得以充分发展；而钢筋混凝土梁柱在受到较大剪力时，往往呈现脆性破坏。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。

2）梁、柱剪跨比限制

剪跨比反映了构件截面承受的弯矩与剪力的相对大小。它是影响梁、柱极限变形能力的主要因素之一，对构件的破坏形态有很重要的影响。

比如，柱的剪跨比c Vh M =λ（M 、V 分别是截面承受的弯矩、剪力值，h c 为柱截面高度）。试验研究

发现，剪跨比λ≥2的柱属于长柱，只要构造合理，通常发生延性好的弯曲破坏；当剪跨比1.5≤λ<2的柱为短柱，柱子将发生以剪切为主的破坏，当提高混凝土强度等级或配有足够的箍筋时，也可能发生具有一定延性的剪压破坏；而当剪跨比λ<1.5时为极短柱，柱的破坏形态是脆性的剪切斜拉破坏，几乎没有延性，设计中应当避免。

在一般框架结构中，柱内弯矩以地震作用产生的弯矩为主，所以可近似假定反弯点在柱高的中点，从而有柱端弯矩2n H V M ⋅=，即2n H V M =（H n 是柱的净高），代入c Vh M =λ中，得c

n h H 21=λ。因此框架柱的分类又可用长细比表示为：4≥c n h H 时为长柱；43<≤c n h H 时为短柱；3

n h H 时为极短柱。 因此，为保证柱子发生延性破坏，抗震设计时要求柱净高与截面长边尺寸之比宜大于4，若不满足，应在柱全高范围内加密箍筋。

类似地，对框架梁而言，则要求其净跨l n 与截面高度h b 之比不宜小于4。当梁的跨度较小而梁的设计内力较大时，宜首先考虑加大梁宽，这样虽然会增加梁的纵筋用量，但对提高梁的延性却是十分有利的。

3）梁、柱剪压比限制

当构件的截面尺寸太小或混凝土强度太低时，按抗剪承载力公式计算的箍筋数量会很多，则箍筋在充分发挥作用之前，构件将过早呈现脆性斜压破坏，这时再增加箍筋用量已没有意义。因此，设计中应限制剪压比（0bh f V c ）即梁截面的平均剪应力，使箍筋数量不至于太多，同时，也可有效地防止斜裂缝过早

出现，减轻混凝土碎裂程度。这实质上也是对构件最小截面尺寸的要求。

4）柱轴压比限制及其它措施

轴压比μN 指柱有地震作用组合的柱轴压力设计值N 与柱的全截面面积A c 和混凝土轴心抗压强度设计值f c 乘积的比值，c c c c c N h b f N A f N ==μ（b c 、h c 分别为柱截面的宽度和高度）。

试验研究表明，轴压比的大小，与柱的破坏形态和变形能力是密切相关的。随着轴压比不同，柱将产生两种破坏形态：受拉钢筋首先屈服的大偏心受压破坏和破坏时受拉钢筋并不屈服的小偏心受压破坏。而且，轴压比是影响柱的延性的重要因素之一，柱的变形能力随轴压比增大而急剧降低（图5），尤其在高轴压比下，增加箍筋对改善柱变形能力的作用并不明显。所以，抗震设计中应限制柱的轴压比不能太大，其实质就是希望框架柱在地震作用下，仍能实现大偏心受压下的弯曲破坏，使柱具有延性性质。

图5 轴压比与延性比关系图 图6芯柱尺寸示意图 图7 连续复合螺旋箍

框架柱在竖向荷载与地震作用下的轴压比宜满足表1的规定。若不满足，可加大截面尺寸或提高混凝土强度等级。

表1 柱轴压比限值