钢筋混凝土框架结构抗震设计

余 迪/新疆有色冶金设计研究院有限公司



钢筋混凝土框架结构抗震设计

余 迪/新疆有色冶金设计研究院有限公司

【摘 要】地震是严重的自然灾害之一，对建筑的破坏十分巨大，威胁着我们的生命、财产安全，因此人们对于建筑物的抗震性格外的关注。在钢筋混凝土框架技术日趋成熟的今天，在高层建筑与大型建筑中应用广泛，框架结构的抗震性能研究成为了建筑设计时要考虑的重要问题。

【关键词】钢筋混凝土；框架；抗震性

地震是人类很难预测与预防的自然灾害，而造成地震中伤亡人数巨大的一个重要原因是房屋的抗震性不好。随着建筑行业的发展与科技的进步，高层建筑已经成为了城市的主流建筑，而地震带来的威胁变得尤为突出，地震对人身财产安全造成的危害、后果不堪设想。因此，加强建筑物的抗震设计是我们需要持续努力的方向，尤其是我国城市最多见的钢筋混凝土建筑结构，需要在已有建筑升级改造与新建筑设计上多下功夫。

一、钢筋混凝土房屋的抗震特点

钢筋混凝土高层建筑在力学控制上主要以竖向荷载为主，层数越多，水平荷载对于高层建筑稳定的影响越大。自从我国1976年发生的唐山大地震之后，京津唐地区在对于高层建筑防震设计上引起了足够的重视，并制定与出台了《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规定》。至2002年又出台了《高层建筑混凝土结构技术规程》，相对之前的抗震设计要求规范要提高了很多。

钢筋混凝土建筑层建筑的抗震设计特点：一是由于水平荷载的影响要比竖向荷加得快。地震引起的内力随高度按线性比例增加，水平荷载越往上荷载越大。而由它们所引起的结构内力则与高度的平方成正比。二是任何材料在承受压力时，可以利用材料的强度使其变弯，不可能全部发挥材料承受压力的潜力，构件轴心受力比偏心受力或受弯更为合理，并且建筑层数越多，弯剪内力越大，结构的材料性能越难以充分发挥承重潜力。三是当建筑物高度越高，地震荷载对结构起的作用将愈来愈大。除了结构内力将明显加大外，结构侧向位移速度更快。由此可见，建筑抗震特性与高度有直接的关系，在荷载、弯矩、位移等方面都有明显的影响。

二、钢筋混凝土框架结构抗震设计要实现的目标

1.地震给钢筋混凝土框架结构带来的危害

一是侧向位移使建筑结构产生附加内力，尤其是对竖向构件的影响，当侧向位移增大时，偏心加剧，当产生的附加应力值超过一定数值时，将会引起整幢房屋的倒塌破坏。二是使居住的人们感到恐慌与不适。三是使填充墙等其他结构出现裂缝或损坏，使电梯轨道变形、其他电器元件损坏等等，不但增加了危害的复杂性也增加了建筑后期的不稳定性。

2.现行建筑抗震鉴定标准

建筑抗震鉴定标准是随着结构抗震设计理论与实践的发展而变化的，也是随着建筑设计技术与建造工艺的发展而发展的，在人类和地震灾害不断的作斗争的过程中，不断积累经验教训，因而建筑抗震鉴定标准也有些许改变，在做好建筑抗震设计之前，必须要清楚现行建筑抗震鉴定标准，必须按照标准办事。

现有钢筋混凝土建筑物抗震目标，从既安全又经济的抗震原则出发，世界各国的抗震研究工程师先后提出了较为一致的抗震设防的目标。这就是在多遇的小震作用下，建筑物不应发生破坏，在中等地震作用下允许建筑物发生破坏，其破坏程度应在稍加修理或不需要修理就可继续使用，在罕遇的地震作用下，允许结构发生严重破坏，但应确保主体结构的安全，防止倒塌伤人。我国2001年出台的《建筑抗震设计规范》中“小震、中震和大震”是根据地震灾害的危险性，用概率分析的方法给出，进而给出了新建建筑的抗震标准，即“小震不坏，中震可修，大震不倒”，其中中震即设防烈度。在《工业与民用建筑抗震鉴定标准》TJ23-1977规定的房屋抗震标准中规定，“设防烈度地震影响下不倒塌伤人或砸坏重要生产设备，经修理后仍可继续使用”。

3.抗震鉴定的方法

目前对建筑抗震鉴定是运用模糊数学与统计学的方法，对要鉴定的建筑根据建筑结构、工艺、用途、建造过程等赋以一定的数值，评估建筑结构的综合抗震能力。通过现行的建筑设计基本抗震原则和思想，重点着眼于建筑结构的抗震理念与设计，对现有建筑结构的总体布置和关键构造进行宏观判断。借助于“抗震概念设计”的要求，采用“抗震概念鉴定”从多个侧面的综合来衡量现有建筑的整体抗震能力，以提高现有建筑的综合抗震可靠性。抗震性的鉴定一般源于工程师的知识、经验甚至直觉。它不同于仅仅按照规范进行抗震鉴定的方式，而是依靠规范以外的思维、分析或计算手段得到的正确判断进行鉴定。

三、钢筋混凝土结构抗震加固设计

1.抗震加固的基本原则

一是在已有的钢筋混凝土建筑的基础上，重点对于城市生命线工程和易造成次生灾害的工程等。加固主要是加强结构整体性和提高抗变形能力，及加强薄弱环节和危险部位，提高抗震加固效果。二是抗震加固与修复的概念不同。抗震加固是在现有建筑在正常使用下达到抗震设防要求，包括构件受损后抗震能力不足的恢复性加固，构件补强性加固，提高结构抗震能力的局部加固或全面加固及改变使用性质后的加固。三是提高综合抗震能力的优化原则。对建筑进行抗震加固，一般选择提高承载力、提高变形能力或既提高承载力又提高变形能力的方法。因此，抗震加固时，要先搞清房屋存在的缺陷，弄清使结构达到规定设防要求，尽可能清除原结构不规则、不合理、局部薄弱层等不利于抗震的因素，还要结合使用功能，施工方法，对环境影响等要求，选择加固方法。

2.抗震加固设计常用的方法

一是增大截面加固法。针对结构构件，对于梁板的加固，要采用截面加固法，用增大混凝土结构或构筑物构件的截面面积，达到提高其承载力的方法。对于梁柱加固，要采用外包钢加固法，即在钢筋混凝土梁、柱四周包以型钢的一种加固方法。对于提高承载力、刚度和抗裂性及加固后所占空间小的混凝土承重结构，采用外加预应力的钢拉杆或撑杆对结构进行加固的方法。

二是碳纤维加固法，碳纤维材料的抗拉强度高于普通钢筋的10 倍、弹性模量是钢筋的数倍，因此可利用高性能结构胶将碳纤维织物（布）粘贴于构件表面，从而达到对结构构件的加固补强及改善抗震性能的目的。由于碳纤维对混凝土的约束作用，构件受力性能明显得到改善。碳纤维质轻且薄，加固后对原结构构件截面、荷载增加均不大，不影响原有建筑使用功能，因此极适合于钢筋混凝土结构的加固。

三是针对框架结构增设剪力墙的加固方法。增设剪力墙加固方法较为常见，需要利用新增的剪力墙承担主要的地震力，减小结构的变形，降低框架柱的配筋构造要求。结构及构件加固后，各楼层屈服强度和刚度的增长率大大高于可能的地震剪力和地震反应的增长率。可选用的加固方法有外包钢加固法，外部粘钢加固法和外部粘贴碳纤维加固法。

四是间接加固。第一，房屋隔震加固，即把既有建筑物的特定层作为隔震层。隔震层通常放在基础上，但根据需要也可放在建筑的某一特定层，在该层所有的钢筋混凝土框架柱上增设使竖向刚度增大、水平侧向刚度减小的隔震装置。在地震作用下，通过隔震层的相对位移，达到大幅度降低结构加速度谱值的目的。第二，消能减震，即减震加固结构通过抗震评估确认既有建筑某层的层承载力不满足抗震性能目标水准要求时，通过设置耗能减震装置，达到增大结构阻尼、减小层间位移的目的。

目前，对于地震的地点、时间和大小还无法进行准确的预报，地震的复杂性与破坏机理对建筑的抗震要求还很多，不能通过单一的设计原理来确定建筑是否能有效的抗震，且城市的新旧建筑存在形式也很复杂，如何保证地震时建筑的安全性，还需要不断的研究。

参考文献:

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[2]缪志伟,叶列平.罕遇地震作用下钢筋混凝土框架-剪力墙结构的耗能机制分析[J].建筑结构学报.2013(02).

[3]叶列平,程光煜,曲哲,陆新征.基于能量抗震设计方法研究及其在钢支撑框架结构中的应用[J].建筑结构学报.2012(11).