浅谈高层建筑结构构件的延性设计

2015-04-16梁毅

建筑设计管理 2015年4期

关键词：筋率延性剪力墙

梁毅

（桂林市建筑设计研究院，广西桂林 541002）

浅谈高层建筑结构构件的延性设计

梁毅

（桂林市建筑设计研究院，广西桂林 541002）

近年来高层建筑日益增多，其平面、立面结构也越来越复杂，这就容易给高层建设的结构设计带来一定挑战。尤其是结构的抗震设计，不仅要保证结构的强度，还需要考虑到结构的延性问题。本文结合笔者工作经验，对高层建筑结构构件的延性设计相关问题进行具体探讨。

高层建筑；结构构件；延性设计

0 引言

结构构件的延性设计就是指构件在屈服后，所能达到最大承载力或者承载力基本不降低，且可以吸收一定的能量，来规避对建筑结构构件的脆性破坏，同时还要保证结构构件具有一定的塑性变形能力。因此，做好高层建筑的结构构件延性设计非常关键。

1 影响结构构件延性设计的主要因素

1.1 梁截面尺寸

通常高层建筑框主梁的宽度不应低于20 cm，次梁的宽度则应在15 cm以上。在抗震要求下，为了保证梁端塑性铰区混凝土保护层不剥落，梁截面的宽度设计可以适当加宽一点，通常可根据梁高来设计确定。梁的宽度通常为1/2~1/3梁高，宽度则应控制在支撑柱在该方向的宽度之内。

1.2 钢筋配筋率

位移延性与配箍率成正比，箍筋间距越大，配箍筋率也就越大，其延性的增长也就越明显。钢筋配筋率可以有效增加混凝土横向变形约束与极限压应变，而且配筋率的增加也可以强化构件的抗弯矩性，提高塑性铰的转动能力。纵向钢筋配筋率的增加，有利于框架柱截面延性的提高，但如果纵向配筋率达到一定程度以后，其变形影响的能力就会减弱，而且如果纵向钢筋配筋率过大的话，还会对柱子造成剪力或粘接破坏。因此，纵向配筋率的大小，应该依照规范标准来确定。通常情况下，为了减少脆性破坏和劈裂破坏，当高层建筑结构构件的抗震设计分别为1~4级时，其配筋率分别可设定在0.8%、0.7%、0.6%、0.5%。

1.3 材料强度

建筑材料直接关系着结构构件延性设计的效果。高层建筑钢筋混凝土构件不仅要满足结构的强度和刚度要求，还需要具有较强的抗震延性，以保证主体结构受力的合理性，降低地震破坏。通常，可采用降低构件轴压比的方法来提升混凝土强度。但如果纵向配筋率相同的情况下，混凝土的标号提高了，其纵向钢筋配筋率便会减少，其延性也就会随之降低。

1.4 轴压比

柱的轴压比会影响到框架结构和压弯构件的位移及延性。轴压比就是指柱轴压力设计值和柱轴压承载力设计值的比值。如果比值超过限值的话，就容易产生脆性破坏，从而影响建筑的整体稳定性。通常当框架柱的抗震分别为一、二、三级时，其轴压比值则分别为0.7、0.8、0.9，如果轴压比过大，柱的延性也会随之增大，因此，必须转动更大的轴面角度方可让受拉区的钢筋屈服。这样就会造成屈服位移量的大幅增加，构件延性也会受到较大影响。

2 高层建筑结构构件的延性设计原则

2.1 强柱弱梁

为了提高高层建筑的抗震性能，结构设计时应该遵循强柱弱梁的原则。强柱弱梁有利于梁上塑性铰的形成，从而削弱地震作用，对框架柱起到良好的保护作用。如果塑性铰存在于梁上，说明塑性铰所需要的非弹性变形量较小，分布也较为均匀。如果柱中出现塑性铰，则表明非弹性变形集中于某一层的柱中，因此对柱的延性要求会较高。但是在实际工程中往往很难实现对柱的延性要求，如果处理不好，还容易出现较大层间的侧移，对建筑的整个结构安全性会产生影响。为了避免侧移对结构稳定性、安全性的威胁，设计时通常会将非弹性变形限制于梁内，使框架柱的弯承载能力得到保证，降低柱端屈服的产生。

2.2 强剪弱弯

延性破坏的主要形式就是弯曲破坏，这种破坏通常具有一定的预兆性，比如出现开裂或下挠等现象。但是剪切破坏则是一种脆性破坏，无法预知，如果建筑结构的某个构件出现剪性破坏，这个构件的抗震能力将会丧失，会产生更大的破坏性，甚至造成建筑倒塌。因此，延性设计的强剪弱弯，就是在避免构件与节点发生脆性破坏的前提下，保证建筑结构的整体安全性。为了避免梁、柱等构件发生脆性破坏，应该保证构件的受剪承载力要比构件屈服时的实际剪力高。因此，对于框架结构的高层建筑，在设计过程中应遵循强剪弱弯的原则，并依据承载力值与剪力值来进行科学设计。

2.3 节点强锚固

梁柱等构件的搭接处即为节点，对于高层建筑来说，节点最容易受到地震水平作用的破坏，因此，节点属于延性的薄弱环节，设计时必须注重节点和锚固的安全性。建筑结构构件的节点破坏主要原因是节点核心部位箍筋足或不到位引起的。为了提升节点的延性，必须保证节点部位混凝土的等级和箍筋的数量。设计时还可以在保证锚固长度的基础上，叠加一定的抗震附加锚固长度，利用锚固的长度来加强节点的延性。为保证梁柱屈服后节点的约束能力，框架节点的延性设计必须依据相关标准进行。

3 结构构件设计措施

3.1 连梁的延性设计

在地震作用下，连梁的破坏通常会表现为局部混凝土压碎。其主要原因可能是跨高比过小，或者构件的抗弯能力高于其抗剪能力。如果出现较大震级，连梁应首先受弯出铰，所以必须控制好其跨高比。在室内如果连梁的高比过小，可考虑利用水平缝来分设两梁。通常室外连梁可以适当开大建筑窗，并将跨高比控制在3左右。为了遵循强剪弱弯的原则，配筋时应该将楼板钢筋的影响考虑进去，不用考虑对纵筋的加强；另外，需要配路箍筋并进行强化，可采用对角交叉配筋形式来提高连梁的延性。

3.2 剪力墙和柱的延性设计

剪力墙在布置时应该尽量均匀对称，使两个主轴方向的刚度尽量相同。墙体的开洞也应该均匀，尽量减少或避免错洞布置。通常独立墙的能量大多通过墙底出铰来进行消散。而联肢墙，则需要通过设置合理的开洞来消散能量，使其能够在连梁的梁端出铰或墙底出铰，而墙体的其他地方都不会存在塑性铰。在构造方面为了减少剪力墙的剪切破坏，可以在底部加强区适当增加剪力墙的水平受力筋，从而使剪力墙的抗剪能力得到提高。另外，还可考虑将柱箍筋的全长进行加密，以保证框架柱的抗侧能力。

3.3 楼梯的延性设计

楼梯的周围大多为剪力墙或填充墙，因此，其抗侧刚度要比其他位置的抗侧刚度大许多，地震时会表现得更加明显。楼梯间的结构受力情况较为复杂，楼梯板和平台梁需要承受弯矩、剪力和扭矩等综合作用。设计时可考虑采用板筋上下拉通和提高梯梁配箍率的方法来增加其延性。

3.4 填充墙的延性设计

填充墙的布置也应该做到均匀、对称，应该尽量减少填充墙引起的房屋附加扭矩。设计时可将填充墙作为荷载输入，其结构受力可不考虑。但是填充墙自身都具有较大的刚度，因此，应该尽量考虑沿竖向连续布置，使其形成砌体剪力墙，起到消耗地震能量的作用，从而避免薄弱层的出现。而且地震时填充墙受到的破坏也会比连梁早，这样便对主体结构起到了保护作用。另外，为了避免地震破坏时，填充墙对人员的伤害，填充墙应该采用较为新型的轻质材料，而且要设置一定的水平接续筋，使其与主体的连接更加可靠。