奋斗在一线的结构设计师都很清楚《建筑工程抗震设防分类标准》GB50223-2008里规定:重点设防类建筑要求按高于本地区抗震设防烈度一度的要求加强其抗震措施,而不提高地震作用。
《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010(2016年版)(以下简称《抗规》)第6.1.2条的条文说明讲得明白:
钢筋混凝土房屋结构应根据抗震等级采取相应的抗震措施。这里,抗震措施包括抗震计算时的内力调整措施和各种抗震构造措施。
抗震等级怎么确定的呢?划分抗震等级有什么作用呢?《抗规》给出答案:
条文说明进一步明确:抗震等级的划分,体现了对不同抗震设防类别、不同结构类型、不同烈度、同一烈度但不同高度的钢筋混凝土房屋结构延性要求的不同,以及同一种构件在不同结构类型中的延性要求的不同。也就是说提高抗震等级就是着眼于提高结构和构件的延性。
具体如何实现呢,就是通过抗震措施来实现,也就是通过抗震计算时的内力调整和抗震构造措施来实现。
内力调整就是围绕我们常说的“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件”的概念设计来调整。第二个问题来了:
梁端屈服型框架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;柱端屈服型框架则容易形成倒塌机制。因此:
强柱弱梁指的是节点处柱端实际受弯承载力大于梁端实际受弯承载力。
由于地震的复杂性、楼板的影响和钢筋屈服强度的超强等原因,难以通过精确的承载力计算真正实现墙柱弱梁,因此规范将梁、柱之间的实际受弯承载力关系式转为梁、柱的地震组合内力设计值的关系式,并使不同抗震等级的柱端弯矩设计值有不同程度的差异。采用强柱弱梁的弯矩增大系数来增大柱端弯矩设计值的方法,只在一定程度上推迟柱端出现塑性铰。就是说框架结构抗震等级从三级提高到二级,强柱弱梁调整是弯矩增大系数从1.3调整到1.5,这样是在一定程度上推迟柱端出现塑性铰,让梁端塑性铰发展更充分,从而在一定程度上提高了框架的延性。
剪切破坏是脆性破坏,防止梁、柱在弯曲屈服前出现剪切破坏是抗震概念设计的要求,强剪弱弯意味着构件的受剪承载力要大于构件弯曲时实际达到的剪力,规范将其承载力关系式转为内力设计值表达式,不同抗震等级采用不同的剪力增大系数使强剪弱弯的程度有所差别。也就是说框架结构由三级提高到二级对于梁来说是剪力增大系数由1.1提高到1.2,对柱来说是剪力增大系数由1.2提高到1.3,从而提高了强剪弱弯的程度。也就是提高了梁、柱弯曲屈服的程度,提高了强震作用下框架的耗能能力,也就是提高了框架的延性。
强节点弱构件是节点的
承载力
应高于连接构件的承载力,因节点失效意味着与之相连的梁与柱都失效。同样道理,强节点系数变大也是提高了强节点弱构件的程度。
除了这些内力调整措施,还有抗震构造措施,第三个问题是:
先看柱的抗震构造措施,按强柱弱梁设计的框架只是在一定程度上推迟柱端出现塑性铰,就是说在强震作用下,柱端仍有可能出现塑性铰,规范通过柱的抗震构造措施,使柱具有大的弹塑性变形能力和耗能能力,达到在大震作用下,即使柱端出铰,也不会引起框架倒塌的目标。如规范对柱轴压比、箍筋加密区体积配箍率的规定等,都主要是为了保证柱端出现塑性铰时柱的塑性变形能力和保证框架的抗倒塌能力。而抗震等级由三级提高到二级,对柱来说也是体现了对重点设防类建筑塑性变形能力和保证框架的抗倒塌能力要求的提高。建筑抗震设计规范GB50011-2010(2016年版) 规定:
再看梁的构造措施,在强震作用下,框架梁是框架结构的主要耗能构件,规范对梁构造措施的规定也是保证梁的变形能力。如:
(1)梁的变形能力主要取决于梁端的塑性转动量,而梁的塑性转动量与截面混凝土相对受压区高度有关。因此规定了梁混凝土相对受压区高度。再如梁端底面的钢筋可增加负弯矩时的塑性转动能力,还能防止在地震中梁底出现正弯矩时过早屈服或破坏过重,从而影响承载力和变形能力的正常发挥。因此规定了梁端底面和顶面纵向钢筋的比值。
(2)梁端的破坏主要集中于(1.5~2.0)倍梁高的长度范围内;箍筋能对受压区混凝土及受压钢筋提供约束,当箍筋间距小于6d~8d(d为纵向钢筋直径)时,混凝土压溃前受压钢筋一般不致压屈,延性较好。因此规定了箍筋加密区的最小长度、最小直径、最大间距,限制了箍筋最大肢距。
重点设防类建筑是通过提高结构抗震等级,加强了与抗震等级有关的抗震措施(内力调整和细部构造措施),从而在关键部位提高了结构和构件的延性,可实现“中震可修”、“大震不倒”,这样是着眼于把财力、物力用在增加结构薄弱部位的抗震能力上,是一种经济而有效的方法。
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