梁毅

（桂林市建筑設(shè)計(jì)研究院，廣西 桂林 541002）

淺談高層建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性設(shè)計(jì)

梁毅

（桂林市建筑設(shè)計(jì)研究院，廣西 桂林 541002）

近年來(lái)高層建筑日益增多，其平面、立面結(jié)構(gòu)也越來(lái)越復(fù)雜，這就容易給高層建設(shè)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)一定挑戰(zhàn)。尤其是結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，不僅要保證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，還需要考慮到結(jié)構(gòu)的延性問(wèn)題。本文結(jié)合筆者工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性設(shè)計(jì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行具體探討。

高層建筑；結(jié)構(gòu)構(gòu)件；延性設(shè)計(jì)

0 引言

結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性設(shè)計(jì)就是指構(gòu)件在屈服后，所能達(dá)到最大承載力或者承載力基本不降低，且可以吸收一定的能量，來(lái)規(guī)避對(duì)建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的脆性破壞，同時(shí)還要保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件具有一定的塑性變形能力。因此，做好高層建筑的結(jié)構(gòu)構(gòu)件延性設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。

1 影響結(jié)構(gòu)構(gòu)件延性設(shè)計(jì)的主要因素

1.1 梁截面尺寸

通常高層建筑框主梁的寬度不應(yīng)低于20 cm，次梁的寬度則應(yīng)在15 cm以上。在抗震要求下，為了保證梁端塑性鉸區(qū)混凝土保護(hù)層不剝落，梁截面的寬度設(shè)計(jì)可以適當(dāng)加寬一點(diǎn)，通?？筛鶕?jù)梁高來(lái)設(shè)計(jì)確定。梁的寬度通常為1/2~1/3梁高，寬度則應(yīng)控制在支撐柱在該方向的寬度之內(nèi)。

1.2 鋼筋配筋率

位移延性與配箍率成正比，箍筋間距越大，配箍筋率也就越大，其延性的增長(zhǎng)也就越明顯。鋼筋配筋率可以有效增加混凝土橫向變形約束與極限壓應(yīng)變，而且配筋率的增加也可以強(qiáng)化構(gòu)件的抗彎矩性，提高塑性鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)能力?？v向鋼筋配筋率的增加，有利于框架柱截面延性的提高，但如果縱向配筋率達(dá)到一定程度以后，其變形影響的能力就會(huì)減弱，而且如果縱向鋼筋配筋率過(guò)大的話，還會(huì)對(duì)柱子造成剪力或粘接破壞。因此，縱向配筋率的大小，應(yīng)該依照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定。通常情況下，為了減少脆性破壞和劈裂破壞，當(dāng)高層建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震設(shè)計(jì)分別為1~4級(jí)時(shí)，其配筋率分別可設(shè)定在0.8%、0.7%、0.6%、0.5%。

1.3 材料強(qiáng)度

建筑材料直接關(guān)系著結(jié)構(gòu)構(gòu)件延性設(shè)計(jì)的效果。高層建筑鋼筋混凝土構(gòu)件不僅要滿足結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度要求，還需要具有較強(qiáng)的抗震延性，以保證主體結(jié)構(gòu)受力的合理性，降低地震破壞。通常，可采用降低構(gòu)件軸壓比的方法來(lái)提升混凝土強(qiáng)度。但如果縱向配筋率相同的情況下，混凝土的標(biāo)號(hào)提高了，其縱向鋼筋配筋率便會(huì)減少，其延性也就會(huì)隨之降低。

1.4 軸壓比

柱的軸壓比會(huì)影響到框架結(jié)構(gòu)和壓彎構(gòu)件的位移及延性。軸壓比就是指柱軸壓力設(shè)計(jì)值和柱軸壓承載力設(shè)計(jì)值的比值。如果比值超過(guò)限值的話，就容易產(chǎn)生脆性破壞，從而影響建筑的整體穩(wěn)定性。通常當(dāng)框架柱的抗震分別為一、二、三級(jí)時(shí)，其軸壓比值則分別為0.7、0.8、0.9，如果軸壓比過(guò)大，柱的延性也會(huì)隨之增大，因此，必須轉(zhuǎn)動(dòng)更大的軸面角度方可讓受拉區(qū)的鋼筋屈服。這樣就會(huì)造成屈服位移量的大幅增加，構(gòu)件延性也會(huì)受到較大影響。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性設(shè)計(jì)原則

2.1 強(qiáng)柱弱梁

為了提高高層建筑的抗震性能，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該遵循強(qiáng)柱弱梁的原則。強(qiáng)柱弱梁有利于梁上塑性鉸的形成，從而削弱地震作用，對(duì)框架柱起到良好的保護(hù)作用。如果塑性鉸存在于梁上，說(shuō)明塑性鉸所需要的非彈性變形量較小，分布也較為均勻。如果柱中出現(xiàn)塑性鉸，則表明非彈性變形集中于某一層的柱中，因此對(duì)柱的延性要求會(huì)較高。但是在實(shí)際工程中往往很難實(shí)現(xiàn)對(duì)柱的延性要求，如果處理不好，還容易出現(xiàn)較大層間的側(cè)移，對(duì)建筑的整個(gè)結(jié)構(gòu)安全性會(huì)產(chǎn)生影響。為了避免側(cè)移對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、安全性的威脅，設(shè)計(jì)時(shí)通常會(huì)將非彈性變形限制于梁內(nèi)，使框架柱的彎承載能力得到保證，降低柱端屈服的產(chǎn)生。

2.2 強(qiáng)剪弱彎

延性破壞的主要形式就是彎曲破壞，這種破壞通常具有一定的預(yù)兆性，比如出現(xiàn)開(kāi)裂或下?lián)系痊F(xiàn)象。但是剪切破壞則是一種脆性破壞，無(wú)法預(yù)知，如果建筑結(jié)構(gòu)的某個(gè)構(gòu)件出現(xiàn)剪性破壞，這個(gè)構(gòu)件的抗震能力將會(huì)喪失，會(huì)產(chǎn)生更大的破壞性，甚至造成建筑倒塌。因此，延性設(shè)計(jì)的強(qiáng)剪弱彎，就是在避免構(gòu)件與節(jié)點(diǎn)發(fā)生脆性破壞的前提下，保證建筑結(jié)構(gòu)的整體安全性。為了避免梁、柱等構(gòu)件發(fā)生脆性破壞，應(yīng)該保證構(gòu)件的受剪承載力要比構(gòu)件屈服時(shí)的實(shí)際剪力高。因此，對(duì)于框架結(jié)構(gòu)的高層建筑，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)遵循強(qiáng)剪弱彎的原則，并依據(jù)承載力值與剪力值來(lái)進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)。

2.3 節(jié)點(diǎn)強(qiáng)錨固

梁柱等構(gòu)件的搭接處即為節(jié)點(diǎn)，對(duì)于高層建筑來(lái)說(shuō)，節(jié)點(diǎn)最容易受到地震水平作用的破壞，因此，節(jié)點(diǎn)屬于延性的薄弱環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)時(shí)必須注重節(jié)點(diǎn)和錨固的安全性。建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)破壞主要原因是節(jié)點(diǎn)核心部位箍筋足或不到位引起的。為了提升節(jié)點(diǎn)的延性，必須保證節(jié)點(diǎn)部位混凝土的等級(jí)和箍筋的數(shù)量。設(shè)計(jì)時(shí)還可以在保證錨固長(zhǎng)度的基礎(chǔ)上，疊加一定的抗震附加錨固長(zhǎng)度，利用錨固的長(zhǎng)度來(lái)加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的延性。為保證梁柱屈服后節(jié)點(diǎn)的約束能力，框架節(jié)點(diǎn)的延性設(shè)計(jì)必須依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)措施

3.1 連梁的延性設(shè)計(jì)

在地震作用下，連梁的破壞通常會(huì)表現(xiàn)為局部混凝土壓碎。其主要原因可能是跨高比過(guò)小，或者構(gòu)件的抗彎能力高于其抗剪能力。如果出現(xiàn)較大震級(jí)，連梁應(yīng)首先受彎出鉸，所以必須控制好其跨高比。在室內(nèi)如果連梁的高比過(guò)小，可考慮利用水平縫來(lái)分設(shè)兩梁。通常室外連梁可以適當(dāng)開(kāi)大建筑窗，并將跨高比控制在3左右。為了遵循強(qiáng)剪弱彎的原則，配筋時(shí)應(yīng)該將樓板鋼筋的影響考慮進(jìn)去，不用考慮對(duì)縱筋的加強(qiáng)；另外，需要配路箍筋并進(jìn)行強(qiáng)化，可采用對(duì)角交叉配筋形式來(lái)提高連梁的延性。

3.2 剪力墻和柱的延性設(shè)計(jì)

剪力墻在布置時(shí)應(yīng)該盡量均勻?qū)ΨQ，使兩個(gè)主軸方向的剛度盡量相同。墻體的開(kāi)洞也應(yīng)該均勻，盡量減少或避免錯(cuò)洞布置。通常獨(dú)立墻的能量大多通過(guò)墻底出鉸來(lái)進(jìn)行消散。而聯(lián)肢墻，則需要通過(guò)設(shè)置合理的開(kāi)洞來(lái)消散能量，使其能夠在連梁的梁端出鉸或墻底出鉸，而墻體的其他地方都不會(huì)存在塑性鉸。在構(gòu)造方面為了減少剪力墻的剪切破壞，可以在底部加強(qiáng)區(qū)適當(dāng)增加剪力墻的水平受力筋，從而使剪力墻的抗剪能力得到提高。另外，還可考慮將柱箍筋的全長(zhǎng)進(jìn)行加密，以保證框架柱的抗側(cè)能力。

3.3 樓梯的延性設(shè)計(jì)

樓梯的周圍大多為剪力墻或填充墻，因此，其抗側(cè)剛度要比其他位置的抗側(cè)剛度大許多，地震時(shí)會(huì)表現(xiàn)得更加明顯。樓梯間的結(jié)構(gòu)受力情況較為復(fù)雜，樓梯板和平臺(tái)梁需要承受彎矩、剪力和扭矩等綜合作用。設(shè)計(jì)時(shí)可考慮采用板筋上下拉通和提高梯梁配箍率的方法來(lái)增加其延性。

3.4 填充墻的延性設(shè)計(jì)

填充墻的布置也應(yīng)該做到均勻、對(duì)稱，應(yīng)該盡量減少填充墻引起的房屋附加扭矩。設(shè)計(jì)時(shí)可將填充墻作為荷載輸入，其結(jié)構(gòu)受力可不考慮。但是填充墻自身都具有較大的剛度，因此，應(yīng)該盡量考慮沿豎向連續(xù)布置，使其形成砌體剪力墻，起到消耗地震能量的作用，從而避免薄弱層的出現(xiàn)。而且地震時(shí)填充墻受到的破壞也會(huì)比連梁早，這樣便對(duì)主體結(jié)構(gòu)起到了保護(hù)作用。另外，為了避免地震破壞時(shí)，填充墻對(duì)人員的傷害，填充墻應(yīng)該采用較為新型的輕質(zhì)材料，而且要設(shè)置一定的水平接續(xù)筋，使其與主體的連接更加可靠。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)高層建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件大多采用鋼筋混凝土形式，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不僅具有較好的強(qiáng)度，還具有較好的整體性能。雖然鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在抗震性能上能夠表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢(shì)，但其結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)如果不合理，將直接影響到高層建筑的整體抗震性能。所以，應(yīng)該結(jié)合建筑的實(shí)際要求和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行科學(xué)而合理的設(shè)計(jì)。

[1]李宇進(jìn).高層建設(shè)主要構(gòu)件的延性設(shè)計(jì)及探討[J].浙江建筑，2013（08）：20-25.

[2]謝國(guó).試論高層建筑框架結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計(jì)[J].河南科技，2013（07）：166-170.

[3]楊宗慧.高層鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)抗震延性設(shè)計(jì)[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2011（04）：303.

TU355

A

1673-1093（2015）04-0074-03

梁毅，就職于桂林市建筑設(shè)計(jì)研究院，研究方向：建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

10.3969/j.issn.1673-1093.2015.04.016

2015-01-18；

2015-02-03