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浅谈钢筋混凝土框架结构的抗震概念设计

发表时间：2021/6/28 来源：《基层建设》2021年第6期作者：和庭锋

[导读] 摘要：就高层建筑来说，相关单位采取抗震概念设计的环节很重要，因为结构概念设计不属于具体的做法，它存在整个设计环节中，包含方案布置、结构等，也是作为一位结构工程师所掌握的本领之一。

        丽江玉龙城乡建设投资运营有限责任公司云南省丽江市 674100
        摘要：就高层建筑来说，相关单位采取抗震概念设计的环节很重要，因为结构概念设计不属于具体的做法，它存在整个设计环节中，包含方案布置、结构等，也是作为一位结构工程师所掌握的本领之一。本文对抗震概念设计进行分析，从而提出合理化建议，提供给相关人士。
        关键词：钢筋混凝土；框架结构；抗震概念
        1、钢筋混凝土框架结构的抗震概念概述
        《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3—2010）（简称《高规》）对高层的定义如下：10层及10层以上或房屋高度大于28m的住宅建筑以及房屋高度大于24m的其他高层民用建筑混凝土结构。高层建筑结构从表面上看主要体现在层数和高度，而实质上高层建筑的特点是水平荷载在设计中占主导地位。结构内力与高度的关系，轴力N与高度成正比，弯矩M和水平位移Δ与层数的关系曲线均呈上升趋势。那么高层建筑结构如何抵抗水平荷载成了又一设计主题，研究建筑结构抗侧力能力成为高层建筑结构抗震设计的重点。高层建筑水平力主要由风荷载和地震荷载引起，而地震荷载作用往往起控制作用。
        地震荷载的破坏特点是：作用时间短暂，强度大且无规律，除水平振动外还有扭转振动。在设计过程中为了提高建筑物的抗震性能，完全用弹性理论分析着手进行设计是不可行的，因为抗侧构件会增大很多，且增加了结构主体的自重，导致结构在水平地震力作用时增大结构自身的惯性力，从而对抗震更加不利。那么就应该从结构概念着手，在满足建筑功能的前提下，尽量使建筑物平面、立面规则，合理有效地布置结构构件，减轻结构自身重量，避免出现由于设计不当造成人为的薄弱层。这是一条比较好的思路，也是现代高层建筑钢筋混凝土结构设计师最为提倡的设计理念。
        高层建筑钢筋混凝土结构在发展中国家应用尤为广泛，这也是由混凝土结构本身的特点所决定的。其造价相对于钢结构较低，材料来源丰富，并且可以浇筑成各种复杂断面形状，钢材用量少，而且承载力也不低，侧向刚度大，整体浇筑的连接节点可靠，抗震性能在经过合理设计之后也可获得较好的效果。
        2、高层建筑结构抗地震倒塌能力的有限元模型建立
        2.1配筋设计
        模型主要包括以下基本信息：共存在五层框架模型，层高为3.6m；高层建筑场地是II类场地，设计了两组地震分组，其为B类粗糙度，抗震设防烈度是8度，并为二级抗震等级；楼面恒载是5.OkN/m2，楼面活载是2.0kN/m2，存在7.0kN/m2的屋面恒载，并为0.5kN/m2屋面活载；板厚是120mm，使用C30混凝土，梁纵筋为HRB400钢筋，箍筋为HPB300钢筋。按照我国规范运用PKPM设计结构，出于建模的便利性需求，在正确配筋后进行处理。
        2.2分析参数
        本文在上面所提到的配筋结果和某国家的荷载组合的有关规定满足，通过利用SAP2000（v15）来对Load＝1.0DL+0.25LL（其中DL为恒荷，LL为活载），通过以下两种情况来对楼板进行分析，一种是将楼板考虑进来；另一种是不将楼板考虑进来，然后对两种模型所产生的有关反应进行合理分析。
        3、高层建筑结构抗震倒塌能力的计算结构分析
        3.1楼板对失效柱上节点竖向位移的影响
        通常情况下，失效柱上节点由于在某种程度上受到位移所带来的影响，具体表现在：首先通过竖向位移在失效柱上有所表现，与此同时是通过振动而产生的，慢慢的会稳定下来。在失效柱上面节点发生位移的情况、稳定位移等在不对模板的相应参数考虑的情况下，通过前者所发出的动力相应要比后者所发出的动力相应要长些。

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        3.2楼板对失效节点加速度而产生的影响
        （1）将楼板模型纳入进来，这样就能够在柱节点上面获得相应的速度，和X轴的距离相邻，这样就可以看见速度所产生的变化；反过来，倘若在模型中不将楼板考虑进来，那么就发生竖向摆动的情况；
        （2）将楼板考虑其中，对于不考虑楼板而言时间会比考虑楼板的时间短些，在失效以后即刻进入到稳定的状态，这样就可以认为是内力重分布完毕，将相应的传递路径重新建立，就会产生新型的结构；
        （3）假如都是在顶层柱失效的时候，那么所产生的速度就会发生明显的改变，使所产生的内力对梁、板带来不利影响。
        3.3失效柱相交梁塑性铰发展分析
        （1）从整体结构上看，将楼板模型的的具体情况都纳入进来，从而使梁端塑性处于A-B的范围内，可以称之为弹性段。同时也可以从不同的方向可以看出失效柱所产生的动力响应。相应的模型都是在A-B亦或是B-C段进行运动，都没有发生破坏的情况。
        （2）依据塑性改变的具体情况来说，由于梁端弯矩在一定程度上受到了楼板所带来的影响，将楼板考虑进来所产生的程度高些。换句话来说，当柱失去作用以后，相应的弯矩逐渐变成作用力，也可以当做T型梁效应，从而增强抗弯能力。
        （3）不将楼板放入模型中进行考虑，在角柱工况下的塑铰通常都是在B-C的范围内。这是因为两方面所产生的因素而带来的影响，首先相关人员没有对楼板所产生的作用引起重视，当柱失去作用以后没有了传递通道，仅仅存在梁恒载。其次是因为随着结构在不断倒塌的过程中，角柱等相关部位属于比较薄弱的部位。
        4、钢筋混凝土框架结构抗震设计方法合理性的提升措施
        4.1增强梁柱的抗弯能力
        在建筑体的梁柱抗弯能力方面是保证整个建筑体结构稳定性的重要环节，因此在建筑结构的设计工作当中，针对梁柱抗弯能力需要设定出相应的加固方案。在设计过程当中，首先将塑性铰直接设置在梁体结构的一端，这样可以保证整个支撑柱和梁体在受到地震灾害的情况下共同受力，有效缓解了地震波对建筑体所产生的不稳定影响，防止了建筑体产生不良晃动或者是大面积坍塌等不良问题。在建筑结构的设计工作当中，涉及到了建筑结构屈服性的概念，这一概念主要针对的是在建筑结构当中，需要有效提高建筑体的塑性形变能力，这样可以降低地震灾害所产生的强大应力作用，保证建筑体的安全性和稳定性。在建筑墙体的落梁设计工作方式是钢筋混凝土结构当中比较常见的设计方式，通过对这一设计方法的有效使用，可以最大限度上提高整个建筑量体结构和支撑柱结构的承载能力，当产生地震灾害的情况下可以表现出良好的抗弯性能和负载性能，进而提高了整个建筑结构的稳定性。
        4.2钢筋混凝土框架结构塑性铰构造
        塑性铰其实就是在地震横纵波作用下产生的一个没有被破坏的点。对于钢筋混凝土框架结构来说，在地震波的影响下，其会出现一个容易屈服但是又不会破坏的点，这个点也就是俗称的塑性铰。在钢筋混凝土框架结构中，这样的塑性铰构件将原来的一个构件一分为二，一个塑性铰作为一个连接点，其在钢筋混凝土框架结构中可以进行小范围的自由移动。但是这种较为自由的移动同时也说明了在地震作用下，钢筋混凝土框架结构的内里发生了一定的改变，随着约束限制的减少，内部结构之间的作用力也会出现一定的差值，如果这时维持结构截面在塑性流动状态下，并确保其弯矩数值不变，则会逐渐增大相邻截面转角之间的角度差值，削弱结构之间的连接，进而影响框架结构的整体性能。
        结束语
        总之，历次地震经验表明，钢筋混凝土框架结构一般具有较好的抗震性能。只要经过合理的抗震设计和良好的施工质量，在一般烈度地区是可以保证安全的。相信在我们广大建设者的共同努力下，我国的建筑工程质量和抗震性能一定会大大提高。
        参考文献：
        [1]陈廷东.试析钢筋混凝土框架结构抗震设计方法的合理性[J].居舍，2019.
        [2]薛建阳，翟磊，李海博，赵轩，吴琨.低周反复荷载下传统风格建筑钢筋混凝土-钢管混凝土组合框架抗震性能研究[J/OL].建筑结构学报，2019.