钢筋混凝土结构抗震延性理论应用和施工处理

朱　莉

中图分类号:TU3文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)0910081-01

一、前言

2008年5月12日,我国四川省汶川县发生了8.0级特大地震,举国震惊,给人民生命财产造成了重大损失。地震灾害的主要原因是由地震引起的建筑物和工程设施的破坏以及次生灾害。我们做好抗震设防地区建筑工程的抗震设计及施工处理,是减轻地震灾害损失最积极、最有效的措施。

二、建筑钢筋混凝土结构的延性理念

根据抗震规范规定,我国的抗震设防目标是以“小震不坏,中震可修,大震不倒”为原则。建筑物在地震作用下能否倒塌破坏,并不取决于其承载力的大小,而是取决于其延性是否能够达到设计要求。我们可以通过人为措施使结构具有一定的延性,从而使结构在发生足够的非线性变形时维持承载力不会急剧下降。这样结构在非线性变形情况下才能消耗地震能,从而确保结构在较大非线性变形情况时不会因为强度的突然下降而破坏倒塌。当我们运用单质点体系的无阻尼振动理论来分析这个问题时,我们知道体系在平衡位置时的动能在最大位移处将转化为弹性势能和塑性变形能,塑性变形能同时又被消耗掉,减少了体系的总能量。地震作用是个往复的作用,建筑结构在地震力作用下振动过程中,通过塑性变形能耗散地震输给结构的累积能量,从而减小了地震反应。由于结构在进入非弹性状态后侧向刚度明显小于弹性刚度,这就会导致结构瞬时刚度的下降,同时自振周期加长,这也就减小了地震的作用。

三、钢筋混凝土结构的抗震措施

我国在抗震设计时对钢筋混凝土结构是高延性要求,即要求钢筋混凝土结构在屈服后塑性变形状态下仍保持承载其竖向荷载和水平荷载的能力。抗震设计时要求使柱端抗弯能力大于梁端抗弯能力,使结构在地震作用下形成梁铰结构或梁柱铰结构,提高构件节点或端部的抗剪能力,以避免构件发生非延性的剪切破坏。钢筋混凝土的抗剪能力由四部分组成:混凝土抗剪能力;裂缝界面骨料咬合力;纵筋销栓力;箍筋拉力。通过分析框架梁的梁端抗剪能力可知,当结构形成塑性铰后混凝土的梁端抗剪能力会有所下降,通过结构力学和材料力学的分析可知,这主要是因为梁端剪力总是正剪力大于负剪力,当发生剪切破坏时,混凝土保护层剥落,剪压区出现在梁的下面部分,且不是现浇板,所以导致混凝土剪压区抗剪能力下降。实验显示在非抗震情况下剪切破坏发生在纵筋屈服之前,而在抗震情况下剪切破坏却发生在塑性铰充分转动时,使混凝土的交叉裂缝宽度加大,从而导致斜裂缝界面中的骨料咬合效应退化,混凝土结构破坏更加严重,混凝土的抗剪能力下降。同时纵筋的抗剪销栓作用由于混凝土保护层的剥落和裂缝而减小。

当我们在计算钢筋混凝土的抗剪能力时,往往只计算混凝土自身的抗剪能力和箍筋的抗剪能力,而以多余的强度储备来处理斜裂缝界面中的骨料咬合能力及纵筋的销栓作用。梁端在形成塑性铰后,就使骨料咬合力和纵筋销栓作用减弱,钢筋混凝土的抗剪强度的储备也会减弱,此时由于混凝土的抗剪能力的下降的原因,钢筋混凝土抗剪能力也会比非抗震时相应减小,如果要使钢筋混凝土抗剪能力不变,那么就只有使箍筋抗剪能力变大,这就需要增加箍筋的用量,由此我们知道,抗震情况下箍筋的使用量比非抗震情况下要多一些,这正是由于混凝土项的抗剪能力下降而必须相应的加大箍筋的使用量,而不是因为地震作用使钢筋混凝土梁的剪力变大了才增加箍筋的使用量。

首先,对于钢筋混凝土梁来说,钢筋混凝土梁端是形成塑性铰的主要部位,所以要控制梁端的塑性变形使其具有良好的延性,即通过相应的构造措施确保形成塑性铰的部位具有足够的延性和塑性耗能能力。混凝土极限压应变及构件破坏时的受压区高度是影响钢筋混凝土梁延性的两大基本因素。所以在建筑施工过程中,需要更多的抗震构造措施来满足钢筋混凝土梁的延性。如:建筑施工中需要严格控制受拉钢筋的配筋率。目的是为了使受拉钢筋屈服时的混凝土受压区压应变与梁最终破坏时的极限压应变留有一定的差距,确保钢筋混凝土梁在混凝土受拉区开裂时钢筋不会屈服或被拉断。钢筋混凝土梁的受压钢筋在抗震时可以分担一部分剪力,从而减小受压区高度。正确使用箍筋用法及用量是充分利用箍筋抗剪作用的前提,合理规定箍筋的最小直径,保证纵筋在受压过程中不会过早的导致局部失稳,同时也通过箍筋来约束受压混凝土梁,进而提高其极限压应变和抗压强度。

其次,对于钢筋混凝土柱而言,不仅受弯矩和剪力作用外,还要承受轴力作用,所以对于钢筋混凝土柱来说对轴压比还要有限制,对于不同烈度且有不同延性要求的钢筋混凝土结构有不同的轴压比限值。此外,钢筋混凝土柱端部箍筋用量的控制,是采用配箍特征值,而不只是简单的用体积配箍率,是因为考虑箍筋强度等级及混凝土强度等级对配箍量的影响。由于高强度混凝土的极限压应变比一般混凝土小,且强度越高,小的越多;所以,混凝土强度越高,混凝土发生破坏时的脆性特征就越明显,对于抗震来说这是非常不利的。

再者,在现浇钢筋混凝土结构中,钢筋混凝土剪力墙在受力方面有刚度大、变形小的优点,所以在地震作用下,可以设计成延性抗震剪力墙。再通过连梁及墙肢底部形成的塑性铰的塑性变形来耗散地震能量。钢筋混凝土剪力墙的主要作用是抗侧力,所以合理的布置钢筋混凝土剪力墙是构建良好抗震性能的建筑结构的基础。在新规范里规定的处理方法是将长墙分成墙段,使墙的高宽比大于2。对于抗震钢筋混凝土剪力墙结构,如果使内纵墙很长,并且连梁的跨高比相对较小、但刚度大,墙的整体性好,在水平的地震力作用下,钢筋混凝土剪力墙的剪切变形就会较大,墙体的破坏高度就会超过底部加强部位的高度。在这里墙段由墙肢和连梁组成。目的是在于设置刚度和承载力较小的连梁,使其在地震作用下先破坏,从而使墙段成为抗侧力结构。抵抗水平地震力。

四、结语

钢筋混凝土结构广泛应用于多层、高层建筑中,是建筑物的主要结构形式,加强其抗震设计及施工的研究,对于防震减灾是不无裨益的。