地震作用下混凝土框架结构分析的研究

摘要：现阶段随着人类技术的不断发展，城市建设的发展和人口密度的增大，地震对人类的危害变得越来越大, 做好建筑物震害预测工作具有非常重要的现实意义。本文参考总结了部分关于钢筋混凝土结构受地震影响的中外文献，通过对地震作用下钢筋混凝土结构的特点、地震的破坏分析、加固提供一定的借鉴作用，进一步了解地震作用对钢筋混凝土结构的影响。  

关键词：地震作用  钢筋混凝土  破坏  延性设计      

1 引言

    在我国现有的多层、高层建筑中，钢筋混凝土框架结构是最常用的结构形式。因为钢筋混凝土框架结构具有平面布置灵活，可形成比较大的建筑使用空间，还具有足够的刚度、良好的廷性。然而设计不合理的框架结构在地震作用下会产生比较严重的震害。比如最典型的汶川地震。结构抗震的本质就是廷性，延性是指构件和结构屈服之后，在承载能力基本不降低的情况下，具有足够塑性变形能力。当结构设计成为延性结构时可以通过塑性铰区域的变形，有效地吸收和耗散地震能量；并且塑性变形降低了框架结构的刚度，使框架结构在地震作用下的反应减小，地震对框架结构的作用力降低，提高框架结构抗震潜力，增强框架结构抗倒塌能力。

2 地震作用下钢筋混凝土框架结构破坏的典型特征

(1). 填充墙的破坏

    框架结构中嵌砌的填充墙【7】的破坏主要是在墙面上产生斜裂缝，并沿柱周边开裂；在窗间墙产生斜裂缝或交叉裂缝，窗下墙产生水平裂缝，在端墙、窗间墙和门窗洞口边角部位破坏相对更为严重。严重的破坏为局部墙体直接压碎【4】。

(2) 楼梯破坏

    楼梯的破坏主要表现为：梯板支座混凝土压碎，板底纵筋局部外露甚至拉断，梯板出现一条贯穿楼梯长度的水平裂缝，梯梁混凝土脱落，钢筋屈服。

(3) 突出建筑的“鞭哨效应”

    部分框架结构存在突出结构， 在强震中突出结构产生“鞭梢效应”，表现为：混凝土剥落，突出建筑物倾斜，与主体结构间产生水平裂缝，严重者发生倒塌现象。

(4) 柱的破坏

    在抗震设计时要求“强柱弱梁”以保证在强震中梁先于柱破坏，结构不致倒塌。但在有些地震中，柱的抗震表现并没有达到预期设计时的要求，其破坏主要表现在以下几个方面：（1）框架结构本身存在的短柱或由其他构件使长柱而变成的短柱，易发生剪切破坏。一般是在中上部发生断裂，为斜向裂缝；下部出现错移，混凝土剥落，钢筋外露。（2）框架柱大多在柱顶发生破坏，尤其是在与梁交界处的节点下部破坏更为突出，柱端产生塑性铰，呈现裂缝，钢筋

弯曲且外露甚至屈曲。（3）柱底在强震中出现水平裂缝，部分抹灰层脱落，混凝

土压碎，纵筋外露，严重时甚至屈曲，箍筋扭曲。

(5) 梁柱节点破坏

    梁柱节点在地震中不同程度的破坏，主要形式是节点核芯剪切破坏和钢筋的锚固破坏，表现为：受压区混凝土压碎，受拉区钢筋屈服，锚固区纵筋外鼓，箍筋散落或崩断，柱端产生塑性铰，出现交叉裂缝。

2 框架结构破坏原因分析

(1) 填充墙破坏的原因

    由于一些框架是剪切型变形，下部层间位移大，填充墙震害呈现“下重上轻”的现象[1]。框架结构是柔性结构，而填充墙是刚性结构，墙体受承载力低，变形能力小，在地震作用下二者的变形不一致，因此墙体与框架缺乏有效地拉结，在往复变形时墙体易发生剪切破坏和散落。

(2) 楼梯破坏的原因

    大部分楼梯是作为单独构件设计的【3】，有些设计建模时楼梯并未纳入考虑，所以整个结构在计算抗震和变形位移时也就没有考虑楼梯的变形、受力及在整个结构中的协调能力。地震即可看出，在没有考虑地震作用的情况下楼梯的设计是不安全的，建议在之后的设计中注意两个方面：首先，梯板不能过薄，严格按照梯板厚度≥楼梯长度的1/28 来取，避免钢筋保护层厚度不足裂缝过大产生的破坏；其次，在梯板配筋时可双层配置受力钢筋， 尤其是Y 方向的受力钢筋可适当加大，避免梯板产生贯穿的水平裂缝。

(3) 突出建筑的破坏原因

    突出建筑由于其质量和刚度与主体结构相比较小，在地震瞬时产生较大速度和位移，产生“鞭梢效应”，使结构发生破坏。建议在设计突出结构式可将框架柱延伸，作为核心筒，尽量将突出建筑和主体保持为一个整体，减小“鞭梢效应”的破坏。

(4) 柱的破坏原因

    柱破坏的原因有多方面的，归纳为以下几点：（1）箍筋的柱端加密程度不够甚至未加密，或箍筋直径较小，难以约束主筋发生较大变形；（2）梁端配筋多或柱主筋配筋较小，使柱承载能力较小，在大震下柱的层间位移较大，先于梁端出现塑性铰，出现“强梁弱柱”的柱式侧移机构，导致柱破坏，甚至框架结构整体破坏;（3）混凝土强度不足或施工质量问题，在大震下混凝土易脱落。

(5) 节点破坏原因

    框架节点是梁柱构件的公共部分，节点的失效意味着与之相连的梁与柱同时失效。框架结构最佳的抗震机制是梁式侧移机制即“强柱弱梁”，但梁端塑性铰形成的基本前提是保证梁纵筋在节点区有可靠的锚固【5】。而在汶川地震和玉树地震中，节点破坏的很大的一个原因就是在节点处梁端的纵筋锚固深度不够。柱箍筋接头不符合要求，产生“强梁弱柱”现象。混凝土在节点处骨料级配过大事节点处间隙太大，在强震中裂缝易产生也是节点破坏的一个原因。

3 延性设计的重要性

    钢筋混凝土框架结构的结构性破坏基本都是因为没有严格按照抗震延性设计要求设计建造所造成的。所谓延性，是反映结构在荷载作用下，进行非线性状态后在承载力没有显著降低情况下的变形能力。延性的好坏通常能够衡量一个结构在地震作用下的耐变形的能力和消耗地震能量的能力。一个延性设计的结构在地震中可最大程度地按照设计理论破坏减少人员伤亡和财产损失。因此，在结构设计中延性设计和承载力设计同样重要。结构抗震设计要求“小震不坏，中震可修，大震不倒”，在框架结构设计中达到这个要求就应遵循“强柱弱梁，强剪弱弯，强节点强锚固”的延性设计原则。

(1) 强柱弱梁

    框架结构最佳的抗震机制是梁式侧移机构，即梁端的塑性铰先于柱端出现塑性铰的侧移机构【6】。塑性铰具有足够的转动能力可继续承受部分压力，从而保证框架结构具有一个较稳定的塑性耗能机构来抵抗地震能量，因此应梁的受压区高度，对梁上荷载进行不利组合并进行弯矩调幅，控制其受弯承载力；合理布置梁端配筋，使其满足配筋率要求不过大；同时，适当增加柱端配筋率，保证塑性铰在梁端产生。

(2) 强剪弱弯

    剪切破坏一旦发生，则构件会失去抗震能力，退出工作。柱若先发生剪切破坏，则可能导致结构的局部破坏甚至整体倒塌。所以有必要强调框架结构尽量发生弯曲破坏而非剪切破坏。“强剪弱弯”原则即要求梁柱斜截面承载力大于正截面承载力，防止发生脆性的剪切破坏。在《建筑抗震设计规范》[2]中规定梁柱截面抗剪承载力设计值要根据不同的抗震等级乘以相应地放大系数，就是“强剪弱弯”原则的表现。

(3) 强节点强锚固

    节点是梁柱构件的公共部分，节点的失效意味着与之相连的柱和梁同时失效[8]。框架结构最佳的抗震机制是梁式侧移机制，即梁端先出现塑性铰，而梁端塑性铰形成的基本前提是保证梁纵筋在节点区有可靠的锚固，故而延性设计时要求“强节点强锚固”。为防止节点核芯剪切破坏和钢筋锚固破坏，节点设计时应遵循的准则有{1}：（1）节点的承载力不低于其连接构件的承载力；（2） 多遇地震时节点在弹性范围内工作；（3） 罕遇地震时节点承载力的降低不得危及竖向荷载的传递；（4）梁柱纵筋在节点区应有可靠的锚固。除此三个原则外， 影响延性设计的因素还有材料强度、轴压比、配箍率、剪跨比等因素，所以在抗震延性设计时除必须遵循“强柱弱梁，强剪弱弯，强节点强锚固”的原则外，还应密切注意这些因素带来的影响。

4 结语

    综上所述，了解地震作用下混凝土结构构件的情况对减少地震所引起的损失，对框架结构破坏进行归纳及分析，提出在抗震设计[9]中延性设计的重要性具有重要的意义。地震作用下的混凝土结构构件的变化是进行结构设计的必须要考虑的重要因素之一。

  本文对地震作用下混凝土结构构件进行分析研究，为今后对钢筋混凝土结构构件的研究奠定了基础，在未来的灾后重建中应着重延性设计[10]，合理布置结构构件和采取必要的抗震措施，尽量达到最好的抗震效果，也要必须严格按照国家相关规定进行设计，保证人身安全和经济损失。

参考文献

[1] 丰定国，王社良.抗震结构设计[M].武汉：武汉理工大学出版社，2003：97-121

[2] GB50011-2001，建筑抗震设计规范[S].

[3] 从汶川大地震引发对板式楼梯设计的思考[J].四川建筑科学学研究2008.34

[4] 汶川大地震中框架结构震害分析[J]. 四川建筑科学学研究，2008.34（8）

[5] 张涛.钢筋混凝土的结构设计与抗震性能分析[D] .北京：清华大学土木工程系，2005

[6] 尹之潜 地震灾害及损失预测方法[M]北京: 地震出版社,1996 35-93

[7] 童岳生, 钱国芳 底层加抗震墙的框架结构房屋抗震计算[J] 西安冶金学院学报,1987,(2): 13-20􀀁

[8] 常业军建筑物结构易损性分析及震害预测[D]  合肥: 合肥工业大学土木建筑学院,2000 3

[9] 胡庆昌．钢筋混凝土框架的抗震设计．北京：地震出版社，1991

[10]吕志涛, 孟少平. 混凝土框架结构抗震设计中的问题探讨[J].工业建筑,2002(10) : 1- 3.