對框架結構抗震設計的幾點思考

李占升

摘要：汶川地震的發生，使我們認識到了結構設計的重要性，重新修訂了一些規范。新規范對框架結構抗震設計提出了更高的要求，結構計算更加復雜多樣，因此不可能一次完成，而應當從整體到局部、分層次完成。每步計算中又包含多次試算，在上一步計算取得合理結果以后，方可進行下一步計算，以便使結構計算過程科學化，提高結構設計工作效率。

關鍵詞：框架結構；抗震設計；可靠度

前 言

抗震設防是指對建筑物進行抗震設計并采取一定的抗震構造措施，以達到結構抗震的效果和目的?？拐鹪O防的依據是抗震設防烈度?？拐鹪O防烈度是一個地區作為抗震設防依據的地震烈度，應按國家規定權限審批或頒發的文件執行。一般情況下，采用國家地震局頒發的地震烈度區劃圖中規定的基本烈度。建筑結構抗震設防的目的是減輕建筑物的地震破壞、避免人員傷亡和減輕經濟損失?？拐鹪O防水準在很大程度上依賴于經濟條件和技術水平，既要使震前用于抗震設防的經費投入為國家經濟條件所允許，又要使震后經過抗震技術設計的建筑物的破壞程度不超過人們所能接受的限度。

一、框架結構抗震設計的思考

1.抗震設計的發展歷史

新中國以后，隨著人類對自然災害的重視和科學的發展，人們認識到地震的危害，在修建建筑物的時候開始考慮結構的抗震，國家頒布了許多關于抗震設計的規范。我國正式頒布的建筑抗震設計規范有：《工業與民用建筑抗震設計煩》TJ11-74（74規范）、《工業與民用建筑抗震設計煩》TJ11-78（78規范）、《建筑抗震設計規范》GBJ11-89（89規范）、《建筑抗震設計規范》GB50011-2001（2001規范），《建筑抗震設計規范》GB50223-2008（2008規范），《建筑抗震設計規范》GB50011-2010（2010規范）。

2.框架結構的震害

目前，我國地震區的工業與民用建筑中，大多采用多層框架、框架-剪力墻及剪力墻結構體系。地震作用具有較強的隨機性和復雜性，要求在強烈地震作用下結構仍保持在彈性狀態，不發生破壞是很不實際的；既經濟又安全的抗震設計是允許在強烈地震作用下破壞嚴重，但不倒塌。因此，依靠彈塑性變形消耗地震的能量是抗震設計的特點，提高結構的變形、耗能能力和整體抗震能力，防止高于設防烈度的“大震”不倒是抗震設計要達到的目標。歷次地震經驗表明，鋼筋混凝土結構房屋一般具有較好的抗震性能，結構設計中經過合理的抗震計算并采取妥善的抗震構造措施，在一般烈度區建造多層和高層鋼筋混凝土結構房屋是可以保證安全的，但是設計不良或施工質量欠佳的鋼筋混凝土結構房屋在地震中遭遇震害的情況，亦不鮮見。主要震害如下：

2.1共振效應引起的震害

框架結構的自振周期與場地土的自振周期很接近，發生共振，導致框架結構破壞。

2.2結構平面或豎向布置不當引起的震害

一些框架廠房因平面形狀和剛度不對稱，在地震作用下容易產生顯著的扭轉，從而使角柱上下錯位、斷裂。平面不規則的建筑物在地震中也易產生嚴重的扭轉破壞，其中角柱的破壞十分嚴重。雞腿式建筑物底層柱發生剪切破壞或脆性壓彎破壞，導致上部倒塌；豎向剛度分布不合理而導致中間層破壞或倒塌。

2.3框架柱、梁和節點的震害

未經抗震設計的框架的震害主要反映在梁柱節點處。柱的震害重于梁；柱頂震害重于柱底；角柱震害重于內柱；短柱震害重于一般柱。

2.4框架磚填充墻的震害

框架中嵌砌磚填充墻，容易發生墻面斜裂縫，并沿柱周邊開裂。端墻、窗間墻和門洞口邊角部位破壞更加嚴重。烈度較高時墻體容易倒塌。由于框架變形屬剪切型，下部層間位移大，填充墻震害呈現“下重上輕”的現象。填充墻破壞的主要原因是，墻體受剪承載力低，變形能力小，墻體與框架缺乏有效的拉結，因此在往復變形時墻體易發生剪切破壞和散落。

3.框架結構抗震設計

較合理的框架地震破壞機制，應該是節點基本不破壞，梁比柱屈服可能早發生、多發生，同一層中各柱兩端的屈服歷程越長越好，底層柱底的塑性鉸宜最晚形成。即：框架的抗震設計應使梁、柱端的塑性鉸出現盡可能分散，充分發揮整個結構的抗震能力。

3.1 抗震計算中的延性保證

從用樓層水平地震剪力與層間位移關系來描述樓層破壞的全過程可反映出，在抗震設防的第二、三水準時，框架結構構件已進入彈塑性階段，構件在保持一定承載力條件下主要以彈塑性變形來耗散地震能量，所以框架結構需有足夠的變形能力才不致抗震失效。試驗研究表明，“強節點”、“強柱弱梁、“強底層柱底”和“強剪弱彎”的框架結構有較大的內力重分布和能量消耗能力，極限層間位移大，抗震性能較好。

3.2 構造措施上的延性保證

根據大地震實踐證明，當建筑結構在大地震中要求保持足夠的承載能力來吸收進入塑性階段而產生的巨大能量，因為此時的結構在震中進入到一個塑性階段，容易產生變形。所以，根據這種特點和抗震的要求，多發地震的國家鋼筋混凝土結構抗震設計均要求按延性框架結構進行設計，所以建筑結構的設計必須保證結構局部薄弱區的承載力與剛度，保證了建筑構造的整體性，延性的增加也就提高了變形能力，這樣可以減少地震的破壞性，提高了建筑的抗震能力。

3.2.1 限制軸壓比和合理配筋

限制軸壓比與縱筋最大配筋率合理的受力過程可明顯提高構件延性，為實現受拉鋼筋的屈服先與受壓區混凝土壓碎的破壞形態，以提高塑性鉸區域的轉動能力，規范限制軸壓比與縱筋最大配筋率，同時對混凝土受壓區高度也提出相應要求。

3.2.2 限制約束配筋和配筋形式

加密塑性鉸區內的箍筋間距是很重要的一點，為保證“強節點”、“強柱弱梁”、“強底層柱底”和“強剪弱彎”的設計原則及塑性鉸區域的局部延性，有必要加密塑性鉸區內的箍筋間距，這不但可提高柱端抗剪能力，還可約束核心區內混凝土，對縱向鋼筋提供側向支承，防止大變形下縱筋壓曲，從而改善塑性鉸區域的局部延性。規范對約束區縱筋的最小直徑、最大間距、塑性鉸區域的最小長度等做出了詳細的規定，并對箍筋肢距及箍筋形式提出了相應要求。

二、結束語

鋼筋混凝土框架結構是我國大量存在的建筑結構形式之一，歷年震害資料表明：鋼筋混凝土框架結構的柱端與節點的破壞較為嚴重，其抗震設計中必須滿足“強柱弱梁”、“強剪弱彎”、“強節點”、“強底層柱底”等延性設計原則和有關規定。在多層及高層鋼筋混凝土房屋抗震設計的實踐中，由于設計人員對規范的理解和掌握尺度上，以及因地因人在結構選型、布置以及計算方法上相互差異較多而對設計產生較多的爭議，抗震設計方法值得深入研究。

參考文獻：

[1] 現行建筑設計規范大全[S].北京：中國建筑工業出版社，2001.

[2] 建筑結構荷載規范（GB50009—2001）[S].北京：中國建筑工業出版社，2001.