对框架结构抗震设计的几点思考

李占升

摘要：汶川地震的发生，使我们认识到了结构设计的重要性，重新修订了一些规范。新规范对框架结构抗震设计提出了更高的要求，结构计算更加复杂多样，因此不可能一次完成，而应当从整体到局部、分层次完成。每步计算中又包含多次试算，在上一步计算取得合理结果以后，方可进行下一步计算，以便使结构计算过程科学化，提高结构设计工作效率。

关键词：框架结构；抗震设计；可靠度

前 言

抗震设防是指对建筑物进行抗震设计并采取一定的抗震构造措施，以达到结构抗震的效果和目的。抗震设防的依据是抗震设防烈度。抗震设防烈度是一个地区作为抗震设防依据的地震烈度，应按国家规定权限审批或颁发的文件执行。一般情况下，采用国家地震局颁发的地震烈度区划图中规定的基本烈度。建筑结构抗震设防的目的是减轻建筑物的地震破坏、避免人员伤亡和减轻经济损失。抗震设防水准在很大程度上依赖于经济条件和技术水平，既要使震前用于抗震设防的经费投入为国家经济条件所允许，又要使震后经过抗震技术设计的建筑物的破坏程度不超过人们所能接受的限度。

一、框架结构抗震设计的思考

1.抗震设计的发展历史

新中国以后，随着人类对自然灾害的重视和科学的发展，人们认识到地震的危害，在修建建筑物的时候开始考虑结构的抗震，国家颁布了许多关于抗震设计的规范。我国正式颁布的建筑抗震设计规范有：《工业与民用建筑抗震设计烦》TJ11-74（74规范）、《工业与民用建筑抗震设计烦》TJ11-78（78规范）、《建筑抗震设计规范》GBJ11-89（89规范）、《建筑抗震设计规范》GB50011-2001（2001规范），《建筑抗震设计规范》GB50223-2008（2008规范），《建筑抗震设计规范》GB50011-2010（2010规范）。

2.框架结构的震害

目前，我国地震区的工业与民用建筑中，大多采用多层框架、框架-剪力墙及剪力墙结构体系。地震作用具有较强的随机性和复杂性，要求在强烈地震作用下结构仍保持在弹性状态，不发生破坏是很不实际的；既经济又安全的抗震设计是允许在强烈地震作用下破坏严重，但不倒塌。因此，依靠弹塑性变形消耗地震的能量是抗震设计的特点，提高结构的变形、耗能能力和整体抗震能力，防止高于设防烈度的“大震”不倒是抗震设计要达到的目标。历次地震经验表明，钢筋混凝土结构房屋一般具有较好的抗震性能，结构设计中经过合理的抗震计算并采取妥善的抗震构造措施，在一般烈度区建造多层和高层钢筋混凝土结构房屋是可以保证安全的，但是设计不良或施工质量欠佳的钢筋混凝土结构房屋在地震中遭遇震害的情况，亦不鲜见。主要震害如下：

2.1共振效应引起的震害

框架结构的自振周期与场地土的自振周期很接近，发生共振，导致框架结构破坏。

2.2结构平面或竖向布置不当引起的震害

一些框架厂房因平面形状和刚度不对称，在地震作用下容易产生显著的扭转，从而使角柱上下错位、断裂。平面不规则的建筑物在地震中也易产生严重的扭转破坏，其中角柱的破坏十分严重。鸡腿式建筑物底层柱发生剪切破坏或脆性压弯破坏，导致上部倒塌；竖向刚度分布不合理而导致中间层破坏或倒塌。

2.3框架柱、梁和节点的震害

未经抗震设计的框架的震害主要反映在梁柱节点处。柱的震害重于梁；柱顶震害重于柱底；角柱震害重于内柱；短柱震害重于一般柱。

2.4框架砖填充墙的震害

框架中嵌砌砖填充墙，容易发生墙面斜裂缝，并沿柱周边开裂。端墙、窗间墙和门洞口边角部位破坏更加严重。烈度较高时墙体容易倒塌。由于框架变形属剪切型，下部层间位移大，填充墙震害呈现“下重上轻”的现象。填充墙破坏的主要原因是，墙体受剪承载力低，变形能力小，墙体与框架缺乏有效的拉结，因此在往复变形时墙体易发生剪切破坏和散落。

3.框架结构抗震设计

较合理的框架地震破坏机制，应该是节点基本不破坏，梁比柱屈服可能早发生、多发生，同一层中各柱两端的屈服历程越长越好，底层柱底的塑性铰宜最晚形成。即：框架的抗震设计应使梁、柱端的塑性铰出现尽可能分散，充分发挥整个结构的抗震能力。

3.1 抗震计算中的延性保证

从用楼层水平地震剪力与层间位移关系来描述楼层破坏的全过程可反映出，在抗震设防的第二、三水准时，框架结构构件已进入弹塑性阶段，构件在保持一定承载力条件下主要以弹塑性变形来耗散地震能量，所以框架结构需有足够的变形能力才不致抗震失效。试验研究表明，“强节点”、“强柱弱梁、“强底层柱底”和“强剪弱弯”的框架结构有较大的内力重分布和能量消耗能力，极限层间位移大，抗震性能较好。

3.2 构造措施上的延性保证

根据大地震实践证明，当建筑结构在大地震中要求保持足够的承载能力来吸收进入塑性阶段而产生的巨大能量，因为此时的结构在震中进入到一个塑性阶段，容易产生变形。所以，根据这种特点和抗震的要求，多发地震的国家钢筋混凝土结构抗震设计均要求按延性框架结构进行设计，所以建筑结构的设计必须保证结构局部薄弱区的承载力与刚度，保证了建筑构造的整体性，延性的增加也就提高了变形能力，这样可以减少地震的破坏性，提高了建筑的抗震能力。

3.2.1 限制轴压比和合理配筋

限制轴压比与纵筋最大配筋率合理的受力过程可明显提高构件延性，为实现受拉钢筋的屈服先与受压区混凝土压碎的破坏形态，以提高塑性铰区域的转动能力，规范限制轴压比与纵筋最大配筋率，同时对混凝土受压区高度也提出相应要求。

3.2.2 限制约束配筋和配筋形式

加密塑性铰区内的箍筋间距是很重要的一点，为保证“强节点”、“强柱弱梁”、“强底层柱底”和“強剪弱弯”的设计原则及塑性铰区域的局部延性，有必要加密塑性铰区内的箍筋间距，这不但可提高柱端抗剪能力，还可约束核心区内混凝土，对纵向钢筋提供侧向支承，防止大变形下纵筋压曲，从而改善塑性铰区域的局部延性。规范对约束区纵筋的最小直径、最大间距、塑性铰区域的最小长度等做出了详细的规定，并对箍筋肢距及箍筋形式提出了相应要求。

二、结束语

钢筋混凝土框架结构是我国大量存在的建筑结构形式之一，历年震害资料表明：钢筋混凝土框架结构的柱端与节点的破坏较为严重，其抗震设计中必须满足“强柱弱梁”、“强剪弱弯”、“强节点”、“强底层柱底”等延性设计原则和有关规定。在多层及高层钢筋混凝土房屋抗震设计的实践中，由于设计人员对规范的理解和掌握尺度上，以及因地因人在结构选型、布置以及计算方法上相互差异较多而对设计产生较多的争议，抗震设计方法值得深入研究。

参考文献：

[1] 现行建筑设计规范大全[S].北京：中国建筑工业出版社，2001.

[2] 建筑结构荷载规范（GB50009—2001）[S].北京：中国建筑工业出版社，2001.