【正文】 延性框架結(jié)構(gòu)，就必須合理地設(shè)計(jì)梁、柱構(gòu)件及 其節(jié)點(diǎn)區(qū)，防止構(gòu)件過早發(fā)生脆性破壞，控制構(gòu)件破壞先后順序，形成合理的破壞機(jī)制。 因 而 在 框架結(jié)構(gòu) 延性抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)剪弱彎”、“強(qiáng)節(jié)點(diǎn) 、強(qiáng)錨固 ”的設(shè)計(jì)原則。 該方法是基于非彈性性能對結(jié)構(gòu)抗震能力貢獻(xiàn)的理解和超靜定結(jié)構(gòu)在地震作用下實(shí)現(xiàn)具有延性破壞機(jī)制的控制思想提出的，可有效保證和達(dá)到結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防目標(biāo)，同時(shí)又使設(shè)計(jì)做到經(jīng)濟(jì)合理。從以上三個(gè)方面保證使結(jié)構(gòu)具有必要的延性。 要使框架結(jié)構(gòu) 具有 良好 延性，就必需保證框架梁柱有足夠的延性，而梁柱的延性是以其截面塑性鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)能力來度量的。為此， 理應(yīng)遵框架結(jié)構(gòu)延性設(shè)計(jì)思想 —— 能力設(shè)計(jì)法 （ capacity design） 核心思想 ：“ 強(qiáng)柱弱梁 、 強(qiáng)剪弱彎 、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)和強(qiáng)錨固”。 2 強(qiáng)柱弱梁設(shè)計(jì)探討 如圖 3 所示 ，為強(qiáng)柱弱梁型框架。常見有三種典型的耗能機(jī)構(gòu)， 即 “梁鉸機(jī)構(gòu)”、“柱鉸機(jī)構(gòu)”、“梁柱鉸機(jī)構(gòu)”。因而抗震性能好，是 框架結(jié)構(gòu) 理想的耗能機(jī)構(gòu)。但 這樣 不能完全排除出現(xiàn)薄弱層的柱鉸機(jī)構(gòu)的可能性，因而需要限制柱子的軸壓比 n ，必要時(shí) 應(yīng) 通過時(shí)程分析法判斷結(jié)構(gòu)的薄弱層，防止出現(xiàn)柱鉸機(jī)構(gòu)。塑性鉸可能出現(xiàn)在梁上，也可能出現(xiàn)在柱上，但是不允許在梁的跨中出鉸，梁的跨中出鉸將導(dǎo)致局部破壞。 下面 首先對出鉸的合理部位進(jìn)行討論，各國大致的思路差不多，都偏向于使梁端先于柱端出 鉸 的方案。 粱鉸機(jī)構(gòu)方案討論 “梁鉸機(jī)構(gòu)”， 其具體措施是人為地較大幅度增加柱端的抗彎能力，使除底層柱底以外的各柱端在較強(qiáng)地震作用下，原則上不進(jìn)入屈服后狀態(tài)，即不出現(xiàn)塑性鉸。這種機(jī)構(gòu)主要靠梁端出鉸來耗散地震能量。 此時(shí)對除底層柱外給柱子相對于梁比較大的超強(qiáng)系數(shù) (大概 )，好處是這時(shí)柱子 (除底層外 )不需要進(jìn)行復(fù)雜的配箍，因?yàn)椴捎眠@樣的系數(shù)能保證出鉸很明 確。同時(shí)，若底層 柱出鉸對結(jié)構(gòu)的影響就會(huì)較大，一旦壓潰可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的整體倒塌，這就必須從構(gòu)造上給予保障，增加了 構(gòu)造的難度。其實(shí)對柱子采用超配 系數(shù)的確定問題比較復(fù)雜 ， 要受很多因素的影響 。 梁柱鉸機(jī)構(gòu) 方案討 論 “梁柱鉸機(jī)構(gòu)” 實(shí)質(zhì)上 就是 在一定程度上人為增大柱的抗彎能力，因此，從總體上說，柱端雖然與梁端相比相對較強(qiáng)，但在強(qiáng)震 或 特大地震作用下，柱端仍有可能進(jìn)入屈服，只不過梁端出現(xiàn)塑性鉸的機(jī)會(huì)較多、較早，塑性轉(zhuǎn)動(dòng)較大；柱端塑性鉸則出現(xiàn)相對較遲，塑性轉(zhuǎn)動(dòng)相對較小。這種機(jī)構(gòu)主要靠梁柱共同出鉸來耗散地震能量。這即是 我們 通常所說的“強(qiáng)柱弱梁”。 對比以上兩種 機(jī)構(gòu) ， 由理論分析表明， 前者實(shí)際上是提高了柱的強(qiáng)度，加強(qiáng)了柱的彈性變形 能力 。 應(yīng)當(dāng)注意的是， 在梁端和柱端的塑性鉸，都必須具有延性，才能使結(jié)構(gòu)在形成機(jī)構(gòu)之前，結(jié)構(gòu)可以抵抗外荷載并具有延性。如圖 4 所示 ： 北川 縣第 一中 學(xué) ，五層 框架結(jié)構(gòu) 教學(xué)樓， 在 5其主要原因是 ： 結(jié)構(gòu)破壞時(shí)一、二層 梁的延性遠(yuǎn)大于柱的延性 ， 柱抗彎能力較小， 導(dǎo)致梁的強(qiáng)度和延性 還沒有充分發(fā)揮，柱就已被壓碎，由于 柱中 首先 出現(xiàn)塑性鉸 ， 形成幾何可變體系 ， 在地震力的往復(fù)作用下，不能繼續(xù)承受外荷載， 而 發(fā)揮整體抗震能力 ， 最終 引起 這兩薄弱層 結(jié)構(gòu) 垮 塌 。 因此，較合理的框架破壞機(jī)制應(yīng)是梁比柱的塑性屈服盡可能早發(fā)生和多發(fā)生，底層柱柱根的塑性鉸較晚形成，各層柱子的屈服順序應(yīng)錯(cuò)開，不要集中在某一層。 如圖 5 所示 ： 紅白鎮(zhèn) 街道 旅館， 四層框架結(jié)構(gòu)， 從圖中可以看出， 端墻中的 鋼筋 混凝土柱作用 十分明顯 ， 在 5 其 主要原因是： 柱 的線剛度 與梁 的線剛度 相比相對較大， 柱的 塑性轉(zhuǎn)動(dòng)相對較小 ， 因而 柱子 受彎承載力較大 ， 在強(qiáng)震 或 特大地震作用下， 框架的 塑性鉸 會(huì)首先 出現(xiàn)在梁端， 這 可以使結(jié)構(gòu)在破壞前有較大的變形，吸收和耗散較多的地北川一中教學(xué)樓圖 4 2020 屆土木工程專業(yè) —— 畢業(yè)論文 8 震能量，具有較好的抗震性能 。 比如： 我們的鄰國日本是一個(gè)地震多發(fā)的國家，據(jù) 統(tǒng)計(jì) ， 每年發(fā)生有感地震約 1000 多次，全球 10%的地震均發(fā)生在日本及其周邊地區(qū)。 日本政府也十分重視發(fā)展抗震建筑 。 從圖中可以看出，日本的這幢 框架結(jié)構(gòu) 建筑設(shè)置了多道抗震防線， 3 層的人字支撐，在結(jié)構(gòu)中就是多余約束，提供多道防線，在地震作用下，首先破壞的應(yīng)該是這種贅余約束。 我們常見的“強(qiáng)柱弱梁”的 調(diào)整措施 實(shí)質(zhì)上就是 要人為增大柱子的抗彎能力， 誘導(dǎo) 框架 在梁端先出現(xiàn)塑性鉸。 此外， 梁剛度降低較受壓的柱子相對嚴(yán)重，結(jié)構(gòu) 會(huì) 由最初的剪切型變形向剪彎 型 變形過渡，柱內(nèi)的彎矩較梁端的彎矩比例增大；同時(shí)結(jié)構(gòu)的周期加長，影響到結(jié)構(gòu)各振型的參與系數(shù)的大小；地震力系數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致部分柱子彎矩增大，由于構(gòu)造原因及設(shè)計(jì)中鋼筋的人為增大，使得梁的實(shí)際屈服強(qiáng)度提高，從 而使得梁出現(xiàn)塑性鉸時(shí)柱內(nèi)彎矩增大。 這時(shí) 地震力引起的傾覆力矩改變了柱內(nèi)的實(shí)際軸力。此外，由軸壓比公式 cc fANn? 可知，軸壓比越大，構(gòu)件的延性越差，紅白鎮(zhèn)旅館圖 5日本抗震建筑圖 6 2020 屆土木工程專業(yè) —— 畢業(yè)論文 9 對于層高不大的樓層柱其效果更為明 顯， 因此， 軸力 的減小也能導(dǎo)致柱子屈服能力的降低。9 度 抗震設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和 一級(jí)框架結(jié)構(gòu)尚應(yīng)符合 ?? ? buac MM ， ? buaM — 節(jié)點(diǎn)左、右梁端逆時(shí)針或順時(shí)針方向?qū)嵟涞恼孛媸軓澇休d力所對應(yīng)的彎矩值之和， 可 根據(jù)實(shí)配鋼筋面積 （計(jì)入受壓鋼筋） 及材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值 并考慮承載力抗震調(diào)整系數(shù)計(jì)算 確定。以 保證 框架底層柱柱底 不 過早出現(xiàn)塑性鉸，影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的變形能力， 也 利于結(jié)構(gòu)持續(xù) 變形，提高柱根的承載能力，以便 吸收和耗散地震能量。 12 汶川 級(jí)特大地震作用下， 底層柱 柱底 由于 塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力差， 軸力又較其余樓層 柱大， 若隨著梁端塑性鉸的出現(xiàn)，結(jié)構(gòu)還將發(fā)生塑性內(nèi)力重分布，底層柱反彎點(diǎn)的位置也將發(fā)生改變， 有可能不在柱的層高范圍內(nèi) (說明框架梁相對較弱 )， 這必將會(huì)引起底層柱下端截 面彎矩增大 。 為此，《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》 GB 500102020 中 規(guī)定： 當(dāng)反彎點(diǎn)不在柱的層高范圍內(nèi)時(shí)，一、二、三級(jí)抗震等級(jí)的框架柱端彎矩設(shè)計(jì)值應(yīng)按考慮地震作用組合的彎矩設(shè)計(jì)值分別直接乘以系數(shù) 、 、 確定 。如圖 8 所示 ： 綿竹某機(jī)械廠，三層框架結(jié)構(gòu)，角柱破壞嚴(yán)重， 這 主要 是 由于 角柱映秀鎮(zhèn)某商住樓圖 7 2020 屆土木工程專業(yè) —— 畢業(yè)論文 10 在組合荷載作用下 雙向受彎、 雙向偏心受壓 、 受剪 ， 加上在側(cè)向力作用下，結(jié)構(gòu)難免會(huì)發(fā)生整體 扭轉(zhuǎn)， 這時(shí)角柱所受的剪力最大， 而設(shè)計(jì)時(shí)往往考慮不周到。 尤其是在 5為此， 在框架結(jié)構(gòu)延性抗震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)特別重視角柱的 扭轉(zhuǎn)問題 ，這 要著重從設(shè)計(jì)方案、抗側(cè)力結(jié)構(gòu)布置或 配筋構(gòu)造、連接構(gòu)造上妥善考慮：一方面盡可能減少扭轉(zhuǎn)，另一方面盡可能加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗扭能力。一、二、三級(jí)框架角柱 用計(jì)算 調(diào)整后的彎矩、剪力設(shè)計(jì)值應(yīng)乘以不小于 的增大系數(shù)。 以上“強(qiáng)柱弱梁”的 設(shè)計(jì)方案和 調(diào)整措施，經(jīng)過 理論分析和大量震害實(shí)事 表明，基本滿足 抗震設(shè)防 目標(biāo)：即“小震不壞、中震可修、 大震不倒 ” 的 要求。實(shí)質(zhì)上就是要通過人為增大各類構(gòu)件的抗剪能力，使其不致在強(qiáng)烈地震作用下，在結(jié)構(gòu)延性未發(fā)揮出來之前出現(xiàn)非延性的剪切破壞。所以在進(jìn)行框架梁、柱設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使構(gòu)件的受剪承載力大于其受彎承載力， 使構(gòu)件發(fā)生延性較好的彎曲破壞，避免發(fā)生延性較差的剪切破壞，而且保證構(gòu)件在塑性鉸出現(xiàn)之后也不過早剪壞，這就是“強(qiáng)剪弱彎”的設(shè)計(jì)原則，它實(shí)際上是控制構(gòu)件的破壞形態(tài)。具體方法如下： （ 1） 直接對一跨梁 左、右 端 逆 時(shí)針 或 順時(shí)針 方向 截面 的組合彎矩 設(shè)計(jì) 值乘以 梁剪力增大系數(shù) cb? ，再與梁上作用的豎向重力荷載代表值一起從平衡關(guān)系中求得梁端剪力。 與非 延性 抗震 結(jié)構(gòu) 相比， 框架結(jié)構(gòu)延性抗震設(shè)計(jì)的“強(qiáng)剪弱彎” 主要表現(xiàn)在提高作用剪力 和 調(diào)整抗剪承載力兩個(gè)方面 ： 討論如何提高 作用剪力 作用剪力的提高， 與多方面的因素有關(guān) （ 如 抗震等級(jí)、設(shè)防烈度等） ，這 在我國相關(guān)規(guī)范里 都 有明確的規(guī)定 。 《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》 JGJ 3— 2020 中 規(guī)定： 四級(jí)抗震等級(jí)的框架梁可直接取考慮地震作用組合的剪力計(jì)算值 ，不作提高要求。 對于 9 度抗震設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和一級(jí)抗震 的框架結(jié)構(gòu)尚應(yīng)符合： ? ? Gbnrbualbua VlMMV ??? 。 我國規(guī)范規(guī)定的框架梁作用剪力的提高方法，基本上能保證“強(qiáng)剪弱彎”的延性抗震設(shè)計(jì)要求。 梁柱節(jié)點(diǎn) 作用剪力 而 梁柱節(jié)點(diǎn)， 抗震設(shè)計(jì)時(shí)，一、二級(jí)框架的節(jié)點(diǎn)核心區(qū)應(yīng)按 《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技 2020 屆土木工程專業(yè) —— 畢業(yè)論文 12 術(shù)規(guī)程》 JGJ 3— 2020 中 附錄 C 進(jìn)行抗震驗(yàn)算；三、四級(jí)框架節(jié)點(diǎn)以及各抗震等級(jí)的頂層端節(jié)點(diǎn)核心區(qū)，可不進(jìn)行抗震驗(yàn)算。 對 于 9 度 抗震設(shè)計(jì) 及一級(jí)抗震等級(jí)的框架結(jié)構(gòu)，考慮到梁端已出現(xiàn)塑性鉸，節(jié)點(diǎn)的剪力完全由梁端實(shí)際屈服彎矩決定， 應(yīng) 按梁端實(shí)配鋼筋面積和材料強(qiáng)度