邹积成深圳市欧博工程设计顾问有限公司518000
摘要：随着对结构抗震性能的深入研究，延性设计的概念逐渐进入到是工程界和学术界。延性设计就是利用结构、构件自身的延性耗能能力来抵抗地震作用。本文结合一栋比较典型的高层建筑，对该工程底层框架柱进行延性抗震设计，以达到良好的延性性能。经过非线性有限元分析，根据延性设计的思路，采取相应的措施后，框架柱能够具备足够的延性。
关键词：框架柱；抗震；延性；有限元
Atallbuildingwithbottomframecolumnductilitydesignanalysis
ZouJicheng
ShenzhenCityOuboEngineeringDesignConsultantsLimited518000
Abstract:withthethoroughstudyonstructuralseismicperformance,ductilitydesignconceptgraduallyintoengineeringandacademiccircles.Ductilitydesignofstructureisused,theductilityenergydissipationcapacityofcomponentitselftoresisttheearthquake.Inthispaper,combinedwithatypicalprojectofhigh-risebuilding,thebottomframecolumnductilityseismicdesign,inordertoachievegoodductilityperformance.Throughnonlinearfiniteelementanalysis,basedontheductilitydesignoftrainofthought,takecorrespondingmeasures,framecolumncanhaveenoughductility.
Keywords:framecolumns;seismic;ductility;finiteelement
1工程简介
某主体结构为钢筋混凝土框架－剪力墙结构的高层建筑，地上25层，地下1层，结构总高度88.1m，设防列度8度，丙类建筑，地下室内部剪力墙很少（可忽略其作用），底层柱子计算长度4.60m，柱子净高3.50m，框架抗震等级为一级，剪力墙抗震等级为一级。下面将对该工程底层框架柱抗震延性设计思路进行详细的分析。
2延性设计
延性设计主要是利用结构、构件自身的延性耗能能力来抵抗地震作用，也可以说成就是通过对结构允许出现塑性铰的部位进行专门的延性设计，使基于多遇水准地震作用的设计能够满足经历更大的地震而不会发生灾难性破坏。
经过初步建模运算，该工程底层地下室大部分框架柱受力较大，因特殊使用要求，不能再增大柱子截面，也不能通过增加柱子数目和剪力墙数目来调整轴压比。出于安全性考虑，可以利用构造措施，通过对柱端进行延性设计来保证柱端的延性能力，以达到“小震不坏，中震可修，大震不倒”的设防目标。
2.1轴压比上限控制
对于框架柱，轴压比是影响柱子受力性能的很重要的一个方面。控制柱子轴压比上限值可以保证柱端塑性铰区具有必要的延性能力。柱子的轴力在地震时是会变化的，既受竖向荷载影响，又受水平荷载影响，而轴力变化会引起柱子的瞬时的弯矩曲率关系发生变化，如右图1所示。
从图1中可知，轴力越大，柱子越容易处于小偏压受力状态。而小偏心受压破坏时，受拉钢筋没有屈服，甚至受压钢筋也没屈服，这种破坏是没有延性的，在抗震设计时应与以避免。所以，轴压比
（1）图1对称配筋柱子M-N关系
对柱子的延性能力的发挥有很大影响。因此，要控制柱子中的轴压比不能太大，以便柱端延性能力的发挥。
该工程在柱子截面大小和数目上均受到限制的条件下，由式（1）可知，可以考虑选择适当的混凝土强度等级，或者改变传力路径，使柱子受到的力更小。
2.2控制剪跨比
剪跨比的大小决定了荷载作用下框架柱的破坏模式：当剪跨比大于2时，框架柱在水平荷载作用下，一般发生延性较好的弯曲破坏；当剪跨比小于2时，框架柱变为短柱，在水平荷载作用下，一般均发生剪切破坏，此时受拉钢筋还没有屈服，而受压区的混凝土在较大的复合应力状态下压溃，从而发生脆性破坏。剪跨比对构件的延性也有一定的影响，随着剪跨比的增大，混凝土框架柱的破坏形态由剪切破坏转变为弯曲破坏，从而使构件的延性也有所增加。
该工程底层柱剪跨比λ＝Hn/(2h)=3500/(2×600)=2.92>2,可以避免发生脆性的剪切破坏。
2.3合理布置柱端约束箍筋
实验及前期工程表明，配置箍筋较少的柱子，常发生大范围的整体压溃，呈现无延性破坏。根据这类破坏形态，沿柱高配置足够数量的箍筋后，才能保证柱端塑性铰的形成。在外力作用下，柱端截面可能承受两个主轴方向的外力，从而使得混凝土全截面受损，柱端就要有足够的箍筋约束。如右图2所示，这样全截面的配箍，加强了柱端核心区混凝土的约束，使受压混凝土的轴心抗压强度和混凝土的受压极限变形能力有所提高，更不容易压溃，从而有利于柱端延性能力的发挥。对于轴压比而言，减小了轴压比，也对延性能力的发挥有利。此外，箍筋也参与到了柱端的抗剪，有利于塑性铰在达到足够的塑性转动能力时不发生非延性剪切破坏，从而保证柱端延性能力。因此约束箍筋越多，改善延性的效果越好。
图2核心区混凝土受力状态
该工程由于柱子受力较大，在满足规范要求的前提下，可以考虑适当加大箍筋的配筋率（体积配筋率），来提高柱子的延性。
2.4合适的柱纵向钢筋的配筋率
纵向钢筋对塑性铰的形成及塑性变形能力的发挥，至关重要，合适的纵向钢筋的配筋率才能避免柱子发生无延性的小偏压破坏。因此，为了避免地震作用下框架柱过早地进入屈服阶段，增大屈服时柱的变形能力，提高柱的延性和耗能能力，全部纵向钢筋的配筋率不应过小。研究也表明，柱延性随着纵筋配筋率的增加而增大。
因此，考虑到该工程的特殊使用要求，可以在满足不超过最大配筋率的前提下，适当加大纵向钢筋配筋率。
3工程分析
对该工程轴压比分别为0.72、0.70、0.66的底层框架柱A、柱B、柱C进行非线性有限元分析，柱截面为b×h=600mm×600mm，纵向受力钢筋配32根直径为25的HRB400级钢筋，沿周边均匀布置，混凝土强度等级采用C35，并取截面形式和配筋均相同的轴压比为0的柱D进行比较。
钢筋本构关系采用经典的三折线模型，混凝土轴心受压应力－应变关系模型选用美国学者E．Hognestad建议的模型，对于混凝土的受拉本构模型选用曲线－直线模型。
如右图3所示，经过非线性有限元分析，可以看出，经过合理配筋的框架柱，在大轴压比的情况下，柱子仍然具配足够的延性。
图3框架柱弯矩－曲率关系
4结语
由以上分析可以得出，在大轴压比的情况下，选定合适的混凝土强度等级和钢筋等级后，控制框架柱轴压比上限，满足柱端约束箍筋的数量及构造要求，并合理配置足够的纵向钢筋，仍然能够保证框架柱具备足够的延性。
参考文献：
[1]陕西省建筑设计院等编译.钢筋混凝土框架柱抗震性能的试验研究[M].地震出版社,1979.
[2]肖建庄,朱伯龙.钢筋混凝土框架柱轴压比限值试验研究[J].建筑结构学报，1998(05).
[3]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(04).
[4]帕克.R，秦文钺.钢筋混凝土结构[M].重庆：重庆大学出版社，1985.
邹积成，大学本科，深圳市欧博工程设计顾问有限公司，结构工程师，土木工程专业，结构设计方向，快递地址：深圳市南山区华侨城生态广场C座，联系电话，13421822880