混凝土结构设计：4.6.1延性耗能框架概念设计

2023-08-30 理论教育版权反馈

【摘要】：试验证明，当部分或全部梁端均出现塑性铰时，结构仍能继续承受外荷载，直到柱底部均出现塑性铰，框架才能形成机构而破坏。

1.结构延性的概念

延性是指结构或构件屈服后，在承载力基本不降低情况下的塑性变形能力，即塑性变形能力的大小。在相同的地震作用下，延性好的结构利用塑性变形吸收地震能量，大大降低了地震作用的影响，但同时对结构塑性变形能力的要求较高。因此，通过合理的设计，减少混凝土脆性危害，充分发挥钢筋的塑性性能，以实现延性的钢筋混凝土结构。

结构的延性性能，通常以最大承载力的80%～90%时的结构顶点位移Δu与结构开始出现塑性铰时的结构顶点位移Δy的比值（Δu/Δy）来衡量。结构延性比μ（也称延性系数）通常是指达到极限时顶点位移Δu与屈服时顶点位移Δy的比值，这项指标值越大，则表示该结构的延性性能越好。一般认为，在抗震结构中结构延性比应不小于3～4。

框架结构顶点位移是由楼层的层间位移累积产生的，层间位移则是由结构变形产生的。可见，要求结构具有一定的延性就必须保证框架梁、柱有足够大的延性，而梁、柱的延性是以截面塑性铰的转动能力来度量的。因此，在进行结构抗震设计时，应注意梁、柱塑性铰的设计，使框架结构成为具有较大延性的结构。

2.框架结构的震害

框架进入塑性阶段后，由于塑性铰出现位置的不同，整体破坏分为梁铰机制和柱铰机制。

图4-26a所示为梁铰机制框架，即塑性铰首先出现在梁中。试验证明，当部分或全部梁端均出现塑性铰时，结构仍能继续承受外荷载，直到柱底部均出现塑性铰，框架才能形成机构而破坏。由于梁铰分散在各层，即塑性变形分散在各层，这种破坏形态可以使框架在破坏前有较大的变形，吸收和耗散较多的地震能量，因此是具有较好的抗震性能的延性破坏。

图4-26b所示为柱铰机制框架，即塑性铰首先出现在柱中。当某一层柱的上、下端均出现塑性铰时，整个框架即形成几何可变体系而破坏。塑性变形集中在该层，整个结构变形较小，其他各层梁﹑柱的承载力和耗能能力均无法发挥作用。

图4-26 框架屈服机制

a）梁铰机制 b）柱铰机制 c）梁铰、柱铰混合机制

在实际工程中，很难实现完全的梁铰机制，往往是梁铰、柱铰混合机制，如图4-26c所示。

框架结构各构件在抗震中的破坏形态是不同的，弯曲破坏和大偏心受压破坏均为延性破坏，耗能能力较强；小偏心受压破坏延性耗能能力大大低于大偏心受压破坏；梁﹑柱的剪切破坏均为脆性破坏，延性较小，耗能能力较差。

梁—柱节点核心区破坏均为脆性的剪切破坏，在地震反复作用下，节点核心区出现交叉斜裂缝，混凝土被压碎，伸入核心区的纵筋与混凝土的黏结破坏，纵筋拔出，梁、柱构件不能再形成抗侧力结构，框架失效。

3.一般设计原则

根据震害分析及近年来国内外试验研究资料，为使钢筋混凝土框架成为延性耗能框架，一般应遵循下述一些原则：

（1）强柱弱梁塑性铰应尽可能出现在梁端，推迟或避免柱端形成塑性铰，形成延性较好的梁铰机制，在设计中，将柱端弯矩的设计值予以提高，柱实际抗弯承载力高于梁的实际抗弯承载力。

（2）强剪弱弯在构件弯曲破坏前，应避免发生脆性的剪切破坏。在设计中，应使构件中可能出现塑性铰区段的抗剪承载力高于其对应的抗弯承载力。通过限制柱轴压比，加强箍筋对混凝土的约束。

（3）强节点、强锚固节点核心区的破坏会影响构件性能的发挥，在构件塑性铰充分发挥作用前，应保证节点核心区的完整性和纵筋的可靠锚固。在设计中，节点核心区的受剪承载力应大于汇交于同一节点的两侧梁达到受弯承载力时对应的节点核心区的剪力。伸入节点核心区的梁、柱纵向钢筋，在节点核心区内具有足够的锚固长度，避免黏结锚固破坏。

混凝土结构设计：4.6.1延性耗能框架概念设计

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