64· 第36卷第26期 2 0 1 0年9月 山 西 建 筑 SHANXI ARCHITECTURI V01.36 No.26 Sep. 2010 文章编号:1009—6825(2010)26—0064.03 钢筋混凝土框架结构延性设计的探讨 蒋正跃摘付云松 要:分析了结构延性和结构概念设计的内涵,简单介绍了提高结构整体延性的原则和方法,结合抗震规范,具体阐述 了提高结构整体延性的措施,以保证建筑达到抗震设防“三水准”的设计要求。 关键词:框架结构,延性,抗震设计,措施 中图分类号:TU328 文献标识码:A 我国现阶段抗震设计规范提出的三水准(小震不坏、中震可 1 结构延性和结构概念设计的内涵 修、大震不倒)抗震设防目标,是以二阶段设计实现的,第一阶段 钢筋混凝土框架结构的延性是指结构出现裂缝后,在承载能 (抗震设防烈度以下)设计保证结构强度要求及隐含的第二水准 力没有显著下降的情况下承受塑性变形的能力,延性反映的是从 变形要求,称为承载能力极限状态设计,第二阶段设计检验罕遇 钢筋开始屈服进入破坏阶段直至最大承载能力时整个结构的塑 地震下结构防倒塌的变形能力,称为正常使用极限状态验算。但 性变形能力。结构的延性可用延性比来度量,延性比是指最大允 是由于地震作用的不确定性和复杂性,结构计算模型与结构实际 许变形与屈服变形之比。其含义有四层:整体与局部的协同;结 受力情况存在差异,目前的实验研究水平尚难以确切模拟地震作 构整体延性;构件延性;节点延性。 用。因此抗震设计很大程度上是一种近似的估算,主要还得通过 结构概念设计是指在计算或设计中,对难以做出具体规定的 结构概念设计、构造措施、节点设计来实现结构延性要求,达到提 问题,运用力学、材料等相关知识进行概念的分析判断,合理选用 高结构延性,实现抗震设防目标。 材料、结构形式,控制产生塑性铰的顺序和位置并采取相应措施实 4结语 通过研究剪切面配筋率对未预裂混凝土开裂面剪力传递性 能的影响,我们得到剪切面的极限剪应力随着配筋率的提高而增 [4] F.J.Vecchio,D.Lai,W.Shim,et a1.Distrbeud stress field model for reinforced concrete:Validation[J].Journal of stuc—r traul engineerig,n2001,127(4):350—358. 大,即剪切面的配筋率对开裂面的剪力传递性能有着显著的影 响,适当提高剪切面的配筋率对试件的抗剪是非常有利的。 [5]张申.钢筋混凝土开裂面剪力传递性能研究[D].大连:大 连理工大学土木水利学院,2009. 李翠,车轶.混凝土直接剪切试验的非线性有限元分析 混凝土开裂面的极限剪应力随着剪切面高度的变化存在明 [6][J].四川建筑科学研究,2010(3):57—58. 显的尺寸效应。随着剪切面高度的增大,剪切面的极限剪应力将 [7] Virginia Maria Rosito d’Avila,Daiane de Sena Brisotto,Ed— 会降低,且降低的幅度也越来越大,这说明在实际工程运用中选 择合理的剪切面高度是非常有必要的。 参考文献: [1] 宋玉普,赵国藩.钢筋混凝土结构分析中的有限单元法 [M].大连:大连理工大学出版社,1994. uardo Bittencourt.Numerical simulation of crackig inn rein— forced concrete members by an embedded model[J].Interna— tional Journal for Computer-Aided Engineerig annd Software, 2008,25(8):739—763. 『2] R.C.G.Menin,LM.Trautwein,T.N.Bittencmrt.Smeared Crack Models for Reinforced Concrete t ̄aII1S by Finite Ele— [8] 张楚汉,金 峰.岩石和混凝土离散一接触一断裂分析 [M].北京:清华大学出版社,2008. [9]龙渝川,张楚汉,周元德.基于弥散与分离裂缝模型的混凝 ment Method[J].Ibracon Structures and Materials Journal, 2009,2(2):166—200. 土开裂比较研究[J].工程力学,2008,25(3):80—84. [10]赵金刚.钢筋混凝土的裂缝分析及控制[J].山西建筑, 2008,34(16):158—159. [3] F.J.Vecchio.Disturbed stress field model orf reinforced con— crete:Formulation[J].Journal of structurla engineering,2000, 126(9):1070—1077. [11] 姜庆远,叶燕春,刘宗仁.弥散裂缝模型的应用探讨[J].土 木工程学报,2008,41(2):81—84. The influence of the reinforcement ratio to the shear diffusivity of concrete fracture surface WANG Xin-yu XU Hong.gang Abstract:This paper has an analysis on the shear diffusivity of concrete fracture surface when it is sheared directly by used finite dement pro— gram-DIANA.It also points out the influence of reinforcement ratio to the shear diffusivity of specimen’S fracture surface at different shear Dlne’s heiaght.The result shows that the influence of reiforcement ratino to limitig shear stress on fractunre surface is large.The limiting shear stress on fracture surface increases with improving the reinforcement ratio,and it goes down with increasing the height of plane. Key words:shear plne,reiaforcementn ratio,concrete fracture surface,shear diffusivity,limiting shear stress 收稿日期:2010—05.21 作者简介:蒋t ̄(1971一),男,硕士,实验师,云南农业大学水利水电与建筑学院,云南昆明付云松(1964一),男,副教授,云南农业大学水利水电与建筑学院,云南昆明650201 650201 第36卷第26期 2 0 1 0年9月 蒋正跃等:钢筋混凝土框架结构延性设计的探讨 · 65 · 现通过塑性铰区域的变形,能够有效地吸收和耗散地震能量;同 4)为防止节点发生剪切破坏,做到“强节点、强锚固”,我国规 时,这种变形降低了结构的刚度,致使结构在地震作用下的反应 范先限制节点核心区的剪力设计值,控制节点核心区不发生剪压 减小,也就是使地震对结构的作用力减小,以达到提高结构延性, 型脆性破坏,然后利用节点核心区截面抗震承载力验算公式计算 合理抗震设计的目的。 节点的剪切配筋。并规定节点核心区箍筋量不小于柱端加密区 的实际配箍量,以使节点核心区具有较高的强度和延性。 5)通过构造措施来保证塑性铰的变形能力以及出现塑性铰 2提高结构整体延性的原则和方法 结构整体延性设计的获得主要依赖于建筑材料选择,结构及 结构体系的合理布置,对框架梁、柱、节点的合理设计及采取的相 区域的延性。a.控制柱轴压比与柱纵筋最大配筋率,实现受拉钢筋的屈服 关构造措施实现。结构体系上设置和控制塑性铰出现的顺序、位 限于受压混凝土压碎的破坏形式。梁通过控制混凝土受压区高 置、转动能力,塑性铰出现和转动量大小依次应为板、连续梁、框 度一级不应小于0.25,二、三级不应小于0.35,梁纵筋最大配筋 架梁、框架柱。框架梁、柱塑性铰应距节点适当位置。结构形式 上对于高层建筑多使用钢骨一混凝土组合结构,或者是钢管混凝 土结构,尤其是钢管混凝土,更将这两种材料能动地结合起来,钢 管混凝土借助钢管对核心混凝土的约束,使钢管混凝土结构具备 了高刚度、高抗力和更大的变形能力,而填充混凝土则可以减少 钢管的局部屈曲变形,防止随之而来的钢管抗力的下降,且因混 凝土填满了整个钢管,不易出现一般钢筋混凝土和钢骨混凝土结 构中发生的混凝土开裂、脱落现象,依靠套箍作用提高了混凝土 的抗压强度和延性。 3提高结构整体延性的具体措施 1)采用合理的结构布置,框架结构布置应力求规则、对称且 具有良好的整体性,结构的侧向,竖向刚度力求均匀变化,避免抗 侧力结构的侧向刚度和承载力突变。 2)构件性能上实现“强剪弱弯”,达到使结构在强烈地震引起 的动反应过程中,在结构的延性未发挥出来之前出现非延性的剪 切破坏。规范通过用剪力增加系数增大梁端、柱端、梁柱节点组 合剪力设计值进行受剪控制截面条件验算和受剪承载力设计。 规范还通过限制其截面尺寸,让构件不发生斜压型脆性破坏,实 现结构延性的目的。 3)从结构体系上保证“梁柱铰机构”的实施,即“强柱弱梁”设 计,我国抗震设计规范规定抗震等级为一级的框架结构及9度设 防时柱端组合的弯矩设计值应符合下式要求: 1.2 M 。 其中,>:A 为节点上下柱端截面顺时针或逆时针方向组合 的弯矩设计值之和; 为节点左右梁端截面顺时针或逆时 针方向实配的正截面抗震受弯承载力(计入受压钢筋)所对应的 弯矩值之和。 除顶层和柱轴压比小于o.15的框架柱均应满足下式要求: Mc=T}c2_5Mb o 其中,r/c为柱弯矩增加系数,一级取1.4,二级取1.2,三级取1.1; :M 为节点左右梁端截面顺时针或逆时针方向组合弯矩设计 值之和。 与此同时,为保证梁柱接头的柱端不先于梁端出现塑性铰, 协同结构整体变形,规范对柱端箍筋加密区体积配箍率做了如下 要求: p≥ c,l 。 其中, 为柱加密区的体积配箍率,一级不应小于0.8%,二 级不应小于0.6%,三级不应小于0.4%; ,为最小配筋特征值; 为混凝土抗压强度设计值,强度等级低于C35时,应按C35计 算; 为箍筋或拉筋抗拉强度设计值,超过360 N/m2时,应按 360 N/iTtlTI2计算。 率小于2.5%,梁端顶面和底面纵向钢筋配筋量的比值一级不应 小于0.5,二、三级不应小于0.3,以提高柱、梁塑性铰区域的转动 能力。 b.约束箍筋及配筋形式,规范对约束箍筋的最小直径,最大 间距,箍筋加密的长度(塑性铰区域的最小长度)都做出了详细规 定,并对箍筋肢距及箍筋形式提出了相应要求。 C.强锚固,规范对框架梁柱不同部位的节点处钢筋的锚固长 度、接头率、搭接长度作了具体规定。 d.材料选择,对于压力较大的构件宜采用标号相对高的混凝 土,钢筋宜优先采用HRB335和HRB400级,一、二级抗震等级设 计的框架结构,纵向受力钢筋的抗拉强度实测值与屈服强度实测 值的比值不应小于1.25;为了实现强柱弱梁、强剪弱弯的要求,钢 筋的屈服强度实测值与钢筋的强度标准值的比值(超强比)不应 大于1.3,且钢筋在最大拉力下的总伸长率实测不应小于9%。 4结语 我国现行抗震规范(GB 50011—2001)对框架结构的延性设计 着重在概念设计,但框架结构在进入弹塑性阶段后的抗震性能主 要还是依靠抗震措施来保证。框架结构的抗震等级与变形能力 及其与构件的变形能力至今仍无明显的定量关系。在框架结构 的延性设计中如何实现其在抗震措施的定量化并在设计中付诸 实施,仍是一个值得大家共同研究、探讨的问题。 参考文献: [1]GB 50011—2001,建筑抗震设计规范[S]. [2] GB 50010—2002,混凝土结构设计规范[S]. [3] 左宏亮,戴纳新,王 涛.建筑结构抗震[M].北京:中国水 利水电出版社,2009. [4]郝进锋,王振.地震区城镇建筑框架结构概念设计[J].世 界地震工程,2007(3):120—123. [5] 尚建宁.多层钢筋混凝土框架结构抗震设计[J].山西建筑, 2007,33(3):17—18. [6]任福民.钢筋混凝土建筑结构的抗震延性设计[J].辽东学 院学报,2006(1):27—29. [7] 李平昌,雷9/.)11.钢筋混凝土结构抗震的延性设计[J].四川 建筑,2004(4):52—53. [8] 宫博.钢筋混凝土框架结构的抗震延性设计方法[J].国 外建材科技,2005(6):22—24. [9] 王 辉.结构实现延性破坏机制的重要概念机理与措施 [J].山西建筑,2006,32(12):73—74. [10] 罗瑞琦.结构延性与抗震设计[J].山西煤炭管理干部学院 学报,2002(4):89—91. [11]解 宁,李承铭.浅谈结构延性设计与静力弹塑性分析 [J].山西建筑,2003,29(1):28—30. 第36卷第26期 66· 2 0 1 0年9月 山 西 建 筑 SHANXI ARCHITECTURE Vo1.36 No.26 Sep. 2010 文章编号:1009—6825(2010)26—0066—02 大跨空间结构行波平稳随机地震响应 黄明开 摘要:讨论了大跨度结构考虑行波效应时平稳随机地震响应的求解方法,通过算例讨论了行波效应对大跨度结构响应 的影响,并得出了大跨度结构行波效应的影响与地震波传播速度的关系等结论。 关键词:大跨空间结构,随机地震反应,一致激励,行波激励 中图分类号:TU352 文献标识码:A =( ̄cosO+yjsin0)/v (4) O引言 目前大跨结构的抗震分析方法一般有反应谱法、随机振动法 其中, 为地震波等效视波速;0为地震波传播方向与结构z 和时间历程法。常规的反应谱法不能考虑行波效应等复杂的因 轴方向之问的夹角。当考虑地震为平稳随机过程时,根据虚拟激励法原理,可得 素。文献[1]介绍了一种由Berrech和Kausel提出的非一致激励 反应谱法,文献[2]~[4]对该方法进行了改进。本文在文献 结构在第 个激励作用下结构的稳态响应为:[2卜 4]等的基础上进一步将虚拟激励法推广应用于大跨空间 (t)=([ ]抛[ ( )][≯] [A]vF ̄jS(w)[e一 ]{纺f_ , 、 网格结构在行波平稳和非平稳地震作用下的随机响应分析,对浦 [K ]一 [K ] 、厂 [e一 ]{仍})e一缸 东国际机场候机楼空间结构进行了随机地震响应分析,对比了各 其中,[ ]为结构振型矩阵;{仍}为第J阶振型; ( )为频 种情况下的响应性能,给出了相应结论。 1 结构平稳随机地震响应 对于空间结构体系,假定质量集中在各节点上,且只考虑三 响函数, ( ) ;A=[ ][Ks, K册]; S(CO)为输入的功率谱矩阵;aj为S(叫)的矩阵特征值;T为相对 维平动地震分量的作用,忽略地震动转动分量的影响,选择相对 于原点的运动时间差。式(5)等号右边前半部分为结构的动力响 于地心静止的绝对坐标系,并假定阻尼力与相对速度成正比l5,6 3, 应,后半部分为结构的拟静力位移响应。 则空间结构体系在多点地震激励下的运动方程可写为l7 J: 当考虑行波输入后,沿地震波传播方向的一条直线上 ,k两 『^ L 00]I +“ l 『c c ]I ) J f“ j LC C J c 0 I 点的互功率谱S (如)可用下式计算_8_: ^ 『【 K肼1 K K~J l“ } { ; r}一{0} … s (iw)= s,( )Sk(∞)10 (∞,d )exp[一 c / ] (6) 其中, 为视波速; ( , )为描述两点地震动的相关程度 其中,[ ],[ ],[ ]分别为结构内部非约束节点(简称 自由节点)的质量、阻尼、刚度矩阵;[M一],[ ],[K ]分别 为对应于支座约束节点的质量、阻尼、刚度矩阵;[ 量,它考虑了结构不同激励点间的部分相干效应。国内学者借鉴 我国抗震规范确定设计反应谱曲方法、取各模型在各次地震中确 定的相干值的平均值,然后根据平均值给出一个模型。该模型适 ],[ ]分 用于21 rad/s以下的频率成分,对于频率比较低的大跨空问结 别为结构内部自由节点和支座节点的耦合阻尼矩阵;[K ], 构,具有普遍的代表性,其表达式如下: [K ]分别为自由节点和支座节点的耦合刚度矩阵;{ },{“ }分 P(∞,d)=exp[一(al∞ +a2)d 1 ‘ 2)] (7) 别为自由节点的拟静力位移和相对于支座节点的动力位移;{U } 其中,a1=I.678×i0一 ;a2=I.219 x 10—0;b】=一5.5 x 为支座节点的位移向量,即为地面节点强迫位移向量;{Pm}为作 用于支座节点上的约束力向量。 其中,{“ }=一[K ]一 [K ]{“ }=[ ]t“ } 将式(2)代入式(1)进一步化简得: [M ]{u,}+[ ]{u }+[K ]{“,}= 10一。;b2=7674×10~。 (2) 2工程算例 2.1 工程概况 浦东国际机场二期航站楼由航站主楼、候机长廊、二者间的 (3) 连接部分以及与三者均相邻的捷运车站组成,文献[9]给出了该 [M ][K ]一 [ ,删]{ }=一[M ][ ]{五 } 到达空间结构第J个支座节点(z,,Yj),则: 当t=0时,地震输入为一致输入。假设当t= 时地震波 工程相关构件的截面、材料及特征杆件节点和振动特性等。 2.2地震波、工况和计算结果 Discussion on the ductility design of reinforced concrete frame structure JIANG Zheng-yue FU Yun-song Abstract:This paper analyzes the connotation of structural ductility and concept design.It brief introduces the principls and methods of iem— proving the whole structural ductility.Combining with seismic code,it gives a detailed explanation of measures tO improving structural global ductility.To make sure that the building can reach the anti—seismic defence’S design requirement of three 1evels. Key words:frame structure,ductility,anti—seismical desin,measure g收稿日期:2010—05.24 . 作者简介:黄明开(1973.),男,工程师,上海城乡建筑设计院有限公司,上海200434