文档介绍：第九讲钢筋混凝土抗震墙设计
钱稼茹
抗震墙广泛用于多层和高层钢筋混凝土房屋,2001规范规定的7种现浇钢筋混凝土房屋结构类型中,除框架结构外,其余6种结构体系都有抗震墙或抗震墙组成的筒体。抗震墙之所以是主要的抗震结构构件,是因为:抗震墙的刚度大,容易满足小震作用下结构尤其是高层建筑结构的位移限值;地震作用下抗震墙的变形小,破坏程度低;可以设计成延性抗震墙,大震时通过连梁和墙肢底部塑性鉸范围的塑性变形,耗散地震能量;与其它结构(如框架)同时使用时,抗震墙吸收大部份地震作用,降低其它结构构件的抗震要求。设防烈度较高地区(8度及以上)的高层建筑采用抗震墙,其优点更为突出。
抗震墙由墙肢和连梁两种构件组成。设计抗震墙应遵循强墙弱梁、强剪弱弯的原则,即连梁屈服先于墙肢屈服,连梁和墙肢应为弯曲屈服。
与89规范相比,2001规范在抗震墙的设计方面、特别是在抗震构造措施方面有比较大的变化,主要有:1)底部加强部位的高度;2)墙肢截面组合的弯矩、剪力设计值和连梁组合的剪力设计值;3)分布钢筋的最小配筋率;4)增加了抗震墙的轴压比限值;5)将边缘构件分为约束边缘构件和构造边缘构件,两种边缘构件的构造不同,加强了应该加强的部位,放松了可以放松的部位,使抗震墙具有更合理的抗震性能。抗震墙轴压比限值和边缘构件方面的规定,主要是吸取了基于位移的设计方法和近年来的研究成果。2001规范取消了89规范中“弱连梁”和“小墙肢”这两个术语,代之以连梁的跨高比和墙肢的长度和厚度的比值。虽然89规范对弱连梁联肢墙作了规定,但在设计中难以确定什么是弱连梁。
抗震墙基于位移设计方法简介
自七十年代抗震墙成为房屋建筑的主要抗侧力构件以来,抗震墙的试件采用的是基于承载力的方法。九十年代初,美国加州工程师协会(SEAOC)提出了一种抗震墙设计新方法:基于位移的设计方法。1994年美国统一建筑法规(UBC-94)采用了这一方法;UBC-97对这一方法作了改进;随后,1999年的美国混凝土建筑结构规范(ACI318-99
)和2000年的国际建筑法规(IBC-2000)也采用了基于位移的方法设计抗震墙。ACI318-99的设计步骤比UBC-97简单些,除了高轴压比的情况外,两者的结果基本相同;IBC-2000的设计步骤与ACI318-99基本相同。与基于承载力的设计方法(如UBC-91)相比,新的设计方法放松了大部份抗震墙的构造要求。
抗震墙基于位移的设计方法的提出,始于对1985年智利地震抗震墙房屋结构震害的分析研究。智利地震中,300多幢有抗震墙的房屋建筑破坏,除了强地面运动的持续时间比较长以外,主要原因是边缘构件的构造弱、配箍少、对混凝土没有约束。分析结果还表明,有的抗震墙破坏轻微,主要是因为结构体系的刚度大、变形小。随后,进一步的研究工作集中在建立抗震墙的基于位移的设计方法。
抗震墙基于位移的设计为:以抗震墙顶点最大弹塑性位移为目标位移,根据弹性和非弹性变形沿墙高度的近似分布,建立顶点位移和墙底截面曲率的关系;由墙底截面的曲率和受压区高度,得到混凝土最外缘纤维的压应变;根据约束混凝土的应力—应变关系,确定需要配置箍筋的边缘构件的长度和配箍量。抗震墙实施基于位移设计的关键之一,是计算顶点弹塑性位移,即地震中抗震墙顶点可能达到的最大弹塑性位移。
UBC-97的抗震墙基于位移的设计用于3区和4区,其步骤如下:
计算顶点最大弹塑性位移ΔM
ΔM= (-1)
最大弹塑性位移ΔM为设计地面运动作用下抗震墙的顶点位移。设计地面运动是指50年内超越概率为10%的地震地面运动,与我国的中震相当,美国3、。
ΔS为设计位移,即结构在设计地震力作用下的弹性顶点位移,采用静力弹性方法或反应谱振型分解法计算。计算中,考虑P—Δ效应;考虑混凝土开裂,截面的弯曲刚度和剪切刚度不超过其弹性刚度的1/2。
R为考虑抗侧力结构承载力超强和结构整体延性的一个系数。
用弹性方法计算抗震墙的弹塑性顶点位移,是基于所谓“等位移原理”。大量计算分析表明,“长周期”结构,其弹塑性顶点最大位移反应与其弹性顶点位移反应接近,可以用弹性方法计算其弹塑性顶点位移;“短周期”结构,其弹塑性顶点最大位移反应与结构的承载力有关,大于弹性顶点最大位移反应。
若计算弹性顶点位移时不考虑截面开裂,则弹塑性顶点位移可以取2ΔM;ΔM也可以用非线性时程分析得到。
计算抗震墙屈服时的顶点位移Δy
UBC-97规定,Δy为抗震墙受拉纵筋屈服时的顶点位移,可以用下式计算:
Δy= (M’n/ME ) ΔE (-2)
式中,M’n为恒载、活载和地震作用效应(荷载分项系数分