十字型钢柱的抗震性能研究论文

1 问题的提出近年来，随着抗震理论的深入发展，在钢筋混凝土框架结构的延性设计上，“强剪弱弯，弱梁强柱，更强节点”已经成为工程界的共识。这种“能力设计”的思路确保钢筋混凝土结构在地震作用下，依次在梁端和柱端出现塑性铰，通过塑性耗能机构避免在较强的地震作用下结构产生严重损伤和在更强地震作用下发生危及生命安全的局部或整体失效。而钢筋混凝土框架节点在结构达到预计的最不利非弹性反应之前不应出现剪切失效，并具有一定的耗能能力。钢筋混凝土框架结构的延性是反映结构在荷载作用下，进入非线性状态后在承载力没有显著降低情况下的变形能力。对于延性大的结构，其产生的塑性变形也大，但永久变形太大，结构可能在重力作用下引起坍塌，也可能使结构的损坏部位不可修复。因此，在钢筋混凝土框架结构的设计上，必须综合考虑一定程度的承载能力和一定范围的延性。钢筋混凝土框架节点的受力机理指通过合理的计算假定模式，描述由梁、板、柱传来的内力（M、N、V、T）在框架节点核芯区的传递和由此产生的各种破坏型式。目前比较流行的有三种理论：斜压杆机理、剪摩擦机理、桁架机理。这三种框架节点的受力机理，应用于各种不同的破坏型式和设计规范中。新西兰的框架节点设计以斜压杆和桁架机理共同作用为依据，美国则以梁剪机理和斜压杆机理为主。而我国《建筑抗震设计规范》（GB50011—2001）中用于抗震框架节点设计的主要计算公式是用来确定节点水平箍筋用量的“框架节点核芯区抗震受剪承载力计算公式”，并未全面考虑到影响钢筋混凝土框架节点抗震性能的各种因素，值得进一步探讨研究。2 影响钢筋混凝土框架节点抗震性能的因素 材料强度混凝土强度直接影响框架节点抗剪承载力，对于承受一定荷载的框架节点，混凝土强度越高，则梁、柱的截面尺寸越小，框架节点核芯区混凝土的承剪截面也相应减小，在一定配箍率下，对其抗震性能反而不利。我国《混凝土结构设计规范》（GB50010—2002）提倡使用HRB400级钢筋，钢筋强度虽然大于HRB335级钢筋，在相同的设计条件下，用钢量相对减少，但是钢筋表面与周边的混凝土粘结锚固能力下降，在框架节点的高粘结应力区，钢筋和混凝土的共同作用相对较差，钢筋易滑移。 节点型式对于一榀平面框架，按框架节点所在位置，节点主要有四种基本型式：顶层边柱节点（┏型）、顶层中柱节点（┳型）、中间层边柱节点（┣型）和中间层中柱节点（╋型）。对于┏型节点，梁、柱的纵筋均需在框架节点核芯区内锚固，节点核芯区受力较复杂，易产生破坏。对于┳型节点，梁的纵筋可直通锚固，水平荷载作用下，柱抗弯承载力弱于梁，柱端易产生塑性铰。对于┣型节点，柱抗弯承载力较大，“强柱弱梁”比较容易满足，但梁筋的锚固相对薄弱，梁筋易发生粘结滑移，角柱节点受力最为不利。对于╋型节点，强震作用下，框架节点两侧梁端可能均达到屈服，框架节点核芯区受到很大的剪力，容易发生核芯区剪切破坏。 轴压比试验研究表明，在一定范围内轴向压力可提高框架节点核芯区混凝土的抗剪承载力。由于柱轴向压力的作用，在框架节点核芯区混凝土开裂以前，柱截面受压区面积加大，斜压杆作用加强。当混凝土出现裂缝时，混凝土块体间产生咬合力。随着轴压比的增大，抗剪承载力相应增大，但当轴压比超过某一临界值时，框架节点受压区混凝土产生微裂缝，使混凝土压碎，抗剪承载力反而下降。 剪压比为了防止框架节点核芯区出现斜拉破坏或斜压破坏，必须控制剪压比，即限制配箍率，避免框架节点核芯区混凝土的破坏先于箍筋的屈服。 水平箍筋在框架节点内配置水平封闭箍筋，一方面对框架节点核芯区混凝土产生有利约束，增强传递轴向荷载的能力，另一方面承担部分水平剪力，提高框架节点的抗剪承载力。试验表明，配箍适当的框架节点核芯区出现贯通裂缝后，混凝土承担的剪力继续增加，箍筋全部屈服，混凝土与箍筋同时充分发挥作用，使节点核芯区受剪承载力在破坏时达到最大。对于配箍较高的节点，当节点核芯区产生贯通斜裂缝时，混凝土抗剪承载力达极值，但箍筋应力还很低，混凝土破坏先于箍筋屈服，使得节点核芯区的抗剪承载力达不到预期的最大值，箍筋不能充分发挥作用。 竖向箍筋在水平反复荷载作用下，框架节点核芯混凝土出现交叉斜裂缝后，剪力的传递由斜压杆作用过渡到水平箍筋承担水平分力、柱纵向钢筋承担竖向分力以及平行于斜裂缝的混凝土骨料咬合力所构成的桁架抗剪机制，设置竖向箍筋可承担框架节点剪力的竖向分量，减少混凝土的负担，从而提高框架节点的抗剪承载力，但施工不便。 柱纵向钢筋柱纵向钢筋通常按抗弯要求设置，沿柱截面的高度方向，按构造规定也相应配置一定数量的纵向钢筋。这些纵筋与水平箍筋联合对框架节点核芯区混凝土形成双向约束。因此，合理布置柱纵向钢筋对提高框架节点抗剪承载力有一定贡献，但增加柱纵向钢筋不像增加水平箍筋那样能显著地提高框架节点的抗剪承载力。 直交梁国内外的实际震害与试验研究表明，垂直于框架平面与节点相交的直交梁对框架节点核芯区混凝土具有约束作用，从而提高框架节点的抗剪承载力。但是，如果斜向地震的双轴效应使两个方向梁的纵筋都屈服，则降低了直交梁对节点的约束作用。对于仅一侧有直交梁的框架节点，抗剪性能并未改善框架节点的抗剪承载力。 楼板框架节点四周的楼板对节点核芯区具有约束作用，与梁轴平行的楼板钢筋与梁上部受力钢筋协同工作。如果考虑楼板作为梁翼缘在受弯过程中发挥的作用，则应相应地提高节点的剪力计算值。 预应力作用对钢筋混凝土框架节点施加预应力，可使框架节点核芯区混凝土增加约束，处于双向受力状态，从而提高框架节点的抗剪承载力。但通过框架节点核芯区的无粘结预应力筋，削弱核芯区混凝土的面积，降低框架节点的抗剪承载力。因此，对于无粘结预应力混凝土框架节点，可将预应力作用对框架节点的抗剪承载力的提高作为结构的安全度储备。 偏心影响在高层建筑设计中，为了使建筑立面产生与外墙或柱面齐平的效果或产生凹凸错落的效果，经常要求梁、柱中心线错开，甚至要求梁侧面与柱侧面重合，出现大量的大偏心框架节点，这时框架节点受到附加扭矩之类的次内力作用，剪力在节点内的传递比较复杂。通过实际震害和试验研究可以发现，与无偏心框架节点相比，偏心框架节点抗剪承载力明显下降。 异形柱节点T型柱框架节点的抗剪承载力较低，框架节点在梁一屈服后马上进入通裂状态。当梁宽大于柱腹板宽度时，处于柱腹板外的梁纵筋在节点处锚固较差。 反复荷载在反复荷载作用下，材料强度和构件强度降低，粘结锚固性能退化，剪切变形加大。由于框架节点内剪应力方向交替变化，核芯区斜向裂缝的张开与闭合交替产生，导致框架节点核芯区抗剪承载力和剪切刚度降低。框架节点两侧的梁纵向钢筋可能产生一侧受拉达到屈服，另一侧受压达到屈服，产生很高的粘结应力，使钢筋滑移，发生粘结破坏。随着梁端变形的逐步增加，框架节点核芯区抗剪承载力相应逐渐衰减。 斜向地震的双轴效应当地震作用方向与建筑物主轴方向不一致时，可能使两个方向的梁都达到屈服，这时作用于节点对角斜面上的水平剪力约为其中一个方向的2倍，然而斜裂缝遇到的箍筋与一个方向受剪时遇到的箍筋数目仍然相同。如果这些水平箍筋与柱截面各边平行，则钢筋的斜向分力仅仅是单向受剪时可抵抗剪力的1/2。对于双向对称的框架，双向受剪所需要的剪力钢筋约为单向受剪所需剪力钢筋的2倍。因此，斜向地震作用下，框架节点的强度和刚度迅速降低，梁筋较早出现粘结滑移破坏。3 建议通过以上对影响钢筋混凝土框架节点抗震性能的各种因素的讨论，在钢筋混凝土框架节点的设计上，综合“概念设计”和“构造措施”，确保结构设计安全经济。更多关于工程/服务/采购类的标书代写制作，提升中标率，您可以点击底部官网客服免费咨询：

浅谈高层建筑抗震设计措施

为了减轻地震所造成的损害，高层建筑的抗震能力必须得到有效的提高，那么，高层建筑抗震设计措施是?

摘要 ：随着经济的不断发展，城市不断壮大，促进了建筑行业的发展。但我国人口众多，城市用地不足，高层建筑逐渐成为了城市建设的主导。高层建筑的抗震设计是设计者需要重点关注和解决的问题。和其他自然灾害不一样，地震是很难做到提前预防。到目前为止，在世界范围内，地震的预测是公认的难题。高层建筑的抗震设计已经成为了业内人士急需要解决的问题。文章通过对高层建筑抗震性能的理论研究，提出了在前期施工和设计时所需要注意的问题，并给出了具体的防范措施，希望能得到同行的认可和指教，切实可行的落实到设计修建当中。

关键词：高层建筑;抗震设计;形体;构件布置

为了减轻地震所造成的损害，高层建筑的抗震能力必须得到有效的提高。但由于地震发生的突然性以及不确定性，因此在高层建筑的抗震设计不能只依赖理论的计算，更多的应该结合以往灾害发生的原因和前人总结的抗震理念。以此实现小震不坏、中震可修、大震不倒的基本理念，尽可能的降低地震所造成的人员伤亡和经济损失，给广大人民群众一个舒心的生活环境。

1我国地震的特点

基于构造地震的活动特点，和特殊的自然条件和地形、社会条件以及历史因素，我国的地震灾害主要有以下特点：①地震的频率较高。我国地处世界两大地震带-环太平洋地震带和欧亚地震带的交汇处，有非常明显的地震活动性，光记录在案七级以上的地震就有十多起，5级以下的地震一年发生上千起;②灾情较为严重。我国大陆的地震震源一般都比较浅，大都在地壳内部10～25km，破坏力可想而知。超过五级的地震，在我国就会造成大量的房屋倒塌和人员的伤亡;③伴有很严重的次生灾害。我国地势西高东低，呈阶梯状分布，地势复杂多样，丘陵、山地、平原、盆地、高原均有分布。地震的直接灾害，常常会引起火灾、水灾、滑坡、泥石流、台风、海啸，由于震后人员的安置比较集中，密度较大，加之震后医疗设备的不齐全，卫生环境跟不上，很容易导致大规模疫情的传播，给人们身体和心理上造成多重的伤害，远比地震的直接损害要更为严重;④成灾面积广，地震波及范围大，发生一次规模较大的地震，它有可能波及震中周围几百或者上千公里之内的地界。如我国2008年5月12号发生的汶川地震，除了黑龙江和辽宁，其他省份均有明显的震感，最远波及到了3000km之外的曼谷，可想而知它的威力之大、范围之广;⑤地震灾害呈一定的周期，目前我国处于地震高发时期，可能会维持到下个世纪初，因此一定要提前做好预防，加强建筑的抗震能力。

2建筑形体及构件布置的规则性对高层抗震的影响

平面不规则

平面不规则的类型主要分为扭转不规则、凹凸不规则、楼板局部不连续。《规范》规定：建筑及其抗侧力结构平面布置宜规则、对称并具有良好的整体性。层间的布置、划分属于建筑平面的布置。内墙结构的布置、可活动的空间面积、楼梯与通道的布置位置、竹子间的距离大小、楼层间的变化布置等。如果在建筑平面时，墙体不对称布置，柱子与墙体不协调、不对称分布，在平面上将会造成建筑结构质量与刚度不协调、不对称分布，在地震时使建筑物发生扭转地震作用。有的建筑物的电梯井筒的刚度很大，却被布置在建筑平面的一侧或角部，发生地震时，使得靠电梯井筒一侧建筑物破坏严重，这是由于地震作用的主要部分被电梯井筒很大的抗侧力刚度吸引了，此典型震害的一例就是1972年的南美洲那瓜高十五层的.中央银行大厦。因为部分建筑物在布置平面时一侧墙少，一侧墙多，内隔墙中断或不对称，所以在地震发生时，地震力传递受阻和刚度发生突变等，这些都表明平面布置影响结构抗震很明显。

竖向不规则

竖向不规则的类型分为侧向刚度不规则、竖向抗侧力构建不连续、楼层承载力突变。《规范》规定：建筑的竖向剖面宜规则，竖向抗侧力构建的材料强度和截面尺寸宜自上而下逐渐增大，防止抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变。根据《规范》的要求对建筑的的突变限度和高度进行限制，避免产生竖向不规则类型，使竖向分布刚度和质量比较均匀，防止产生突变，避免产生薄弱和扭转。

3框剪结构中剪力墙受力特征

框剪结构中能够影响结构刚度的因素有很多，诸如剪力墙的界面尺寸、数量、位置以及它自身的形状等，其中对结构刚度影响最深的是刚度理论。在框剪结构中，结构的刚度和刚度分布是由剪力墙布置的位置和数量决定的。《高层规程》将高层建筑分为两级，即高层建筑(A级)，超限高层建筑(B级)，对应于不同的抗震设计等级，不同结构有不同的适用高度。框剪结构中，发挥最大作用的是剪力墙。剪力墙是抗侧力构件，采用这种结构时应在两个主轴外侧布置剪力墙，从而形成双向侧力体系。框架结构体系是利用梁柱组成的纵横两个方向的框架形成的结构体系。它同时承受竖向荷载和水平荷载。其主要优点是建筑平面布置灵活，可形成较大的建筑空间，建筑立面处理比较方便。主要缺点是是横向刚度小，当层数较多时，会产生过大的侧移，易引起非结构性构件(如隔墙，装饰等)破坏进而影响使用。在非地震区，框架结构一般不超过15层。框架结构的内力分析通常是用计算机进行精确分析。框架剪力墙结构也称框剪结构，这种结构是在框架结构中布置一定数量的剪力墙，构成灵活自由的使用空间，满足不同建筑功能的要求，同时又有足够的剪力墙，有相当大的侧向刚度(剪力墙的侧向刚度大就是指在水平荷载(风荷载和水平地震力)的作用下抵抗变形能力强)。框架结构的缺点是侧向刚度小，当层次较多时，全产生过大的侧移，易引起非结构性构件破坏而影响使用，但它具有平面布局灵活，可形成较大建筑空间的优点，为了保留这个优点，同时又提高其侧向刚度，便产生了框架剪力墙结构。这个结构主要特点是在保留框架结构优点的基础上由于增设了抵抗剪力的剪力墙，从而地增加了其侧身刚度，在这个结构体系中剪力墙承担了80%的以上的水平荷载，而其中的框架仅承担了约20%，这与框架结构中不管什么方向的荷载均由框架全部承担的情况是不同的。当建筑高度、设防烈度、建筑重要性类别、基底类别等均相同的情况下，对框架结构中的框架要求要比框剪结构中框架的要求等级要高得多。框架结构的特点：建筑平面布置灵活，外墙立面设计也较为灵活，其变形特点为剪切变形和弯曲变形组合起来的剪切型变形，框架结构构件类型少，易于标准化，定型化，在材料变形性能良好的时候，可以建造到30层，一般情况下15～20层为好。剪力墙结构的特点：整体性能好，刚度大，在水平作用下侧向变形小，承载力要求也比较容易满足，其侧向变形为弯曲型，但是由于剪力墙的间距不能过大，所以其平面布置不够灵活。为了克服其缺点，会使用框支剪力墙结构，跳层剪力墙结构。

4高宽比对结构的整体抗震及经济指标的影响

整体抗震

所谓建筑结构的动力作用就是地震作用，这不仅与地震强烈程度有关，而且很大的关系在于其本身的动力特性，剪重比和基底剪力是衡量结构地震反应的两个常用指标。高规推荐的高宽比是以6为界限，取高宽比以6的基底剪力为参考值的两种结构，得出结构基地剪力在高宽比变化时，相对高宽比为6时的相对值(见图1)。高宽比在增大时，结构基底剪力大约呈线性增大，结构受的地震力随高度增大成比例增大，且剪力端结构增长速度比较快。结构重力载荷和水平地震作用之比在逐步增大，起初，下滑成都比较快，随后变化就较稳定，显示了在结构周期加长时，结构更柔，地震反应减小的优点(见图2)。

经济指标

若仅从结构安全角度看，目前高规中在实际设计工作中可以放宽高宽比限制。根据以往的工程经验，当建筑高度增加时会出现两方面的变化。一方面，高宽比比较大时，结构侧移将会随之发生变化，呈正向关系增大，与此同时，抗倾覆能力和整体稳定性则会受到负面影响，呈现下降趋势;另一方面，水平荷载将会短时间出现变化，迅速增大。在水平荷载作用时，建筑顶部位移同倾覆力矩呈现正相关。具体而言，建筑物顶部位移越大，倾覆力矩越大，反之亦然，高度四次方成正比，同宽度成反比。为了使结构刚度、抗倾覆能力和稳定性足够，需要增大结构构件的尺寸，材料用量也会随之增大，结构经济性更差。

5提高高层建筑抗震性能的具体措施

在高层建筑的建造中，不仅要满足材料的强度、硬度等要求，还应使其具有较好的延展性，并在指定的部位具有屈服区域。具体分为以下方面：①提高高层建筑地基的稳定性和其短柱的抗压能力。提高剪跨比，从而减小短柱的截面积，提高抗震性能。其主要方法是采用等级较高的混凝土材料并与其他可提高材料延展性的方法相结合，运用于实际施工中，提高抗震性能;②采用性能更为优良的混凝土-钢管混凝土柱来做建筑的整体结构，有于钢管内部的混凝土一直处于受压状态，其相对应的压应变及抗压强度都得到了很大的提升，解决一般混凝土延展性不好的问题;③设计之初要进行全面的分析。高层建筑结构的模型在建设前能适当的进行简化，但是其整体受力和关键部位的受力是绝对要在模型上体现出来的，构件的参数及恢复力模型的选择，应该符合我国结构构件的主要性能和结构特点，不能一味的抄袭已有的外国行业参数。根据地震等级的不同来选择与之相对应的弹塑性状态，要从结构的位移、承载力、抗压力、屈服度、阻尼比等数据进行全面的分析和讨论，正确的运用到实际的施工中去。

6结束语

随着经济的不断发展，城市建设日益繁荣，越来越多的高楼大厦拔地而起，给人们带来便利和美的享受的同时，建筑行业更应该关注的是高层建筑的抗震性能。自然灾害的发生总是那么的残酷无情而且毫无征兆。要想更好的建设国家，就必须做到提前预防，在建筑本身做文章，提高其抗震性能和应对各种自然灾害的能力。只有这样才能让人们在面对强大的天灾面前有足够的反应时间，才能真正的享受城市所带来的便利。

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