建筑结构丨关键构件、普通构件,必须要明白!
发布日期:2022-04-18 来源:结构茶馆

建筑结构丨关键构件、普通构件,必须要明白!

关键构件


我们首先看一下各主要规范的规定,高规3.11.2注:“关键构件”是指该构件的失效可能引起结构的连续破坏或危及生命安全的严重破坏。钢标的规定:柱脚、多高层钢结构中低于1/3总高度的框架柱、伸臂结构竖向桁架的立柱、水平伸臂与竖向交汇区杆件、直接传递转换构件内力的抗震构件等都应按关键构件处理。广东高规3.9.2条文说明:一般情况下,关键构件由设计人员指定。


由以上论述可以看出,严格意义上确定关键构件需要进行连续倒塌分析,即逐个拆除力学概念上比较重要的构件进行非线性连续倒塌分析,将那些拆除后引起连续破坏或严重破坏的构件定义为关键构件。但是实际项目,采用上面的思路就过于复杂了,实用上我们往往根据力学概念与工程经验直接定出关键构件,一般包括水平构件中的转换构件(如转换梁、桁架)、连体部位以及重要的竖向构件。这其中哪些竖向构件属于重要构件比较难以确定,钢标中明确规定了底部的框架柱为重要构件,但是哪些剪力墙属于重要构件并没有明确规定。


有些同学可能会直觉的认为底部加强部位的剪力墙为关键构件,这是否合理呢,我们要先分析一下剪力墙的抗震设计思路。抗规6.2.7条第1款:一级抗震墙的底部加强部位以上部位,墙肢的组合弯矩设计值应乘以增大系数,其值可采用1.2。根据上述规定画出调整前与调整后的弯矩图如下:

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有内侧曲线为调整前的弯矩图,外侧折曲线为调整后的弯矩图,规范放大了上部的弯矩,目的是使下部到达设计弯矩时,上部承载能力尚有余量,从而使下部成为相对薄弱区,首先产生弯曲破坏,也就是规范特意通过内力调整进行破坏顺序的引导。而关键构件是希望最后破坏的构件,因此设定底部剪力墙为关键构件和抗规6.2.7的精神是相悖的,如果要实现底部加强部位剪力墙晚于上部剪力墙破坏,那么底部必须乘以一个大于1.2的放大系数,使得上部尽管放大了1.2倍仍然是相对的薄弱部位。这在逻辑上比较奇怪,如果想让底部后破坏,那上部就没有必要先乘以那个1.2的系数,因为对于抗震来说,盲目的进行全部构件的内力放大是没有意义的,规范的调整系数本质上都是为了控制破坏的先后顺序。


剪力墙底部加强部位实际加强的不是抗弯能力,而是通过将边缘部位做成约束边缘构件,提高体积配箍率来提高墙整体的抗弯延性,既然底部区域首先进入弯曲塑性,那么使得其屈服而不破坏是合理的思路;上部区域既然已经放大了内力不可能先破坏,则不需要特别加强延性,仅需要配置构造边缘构件就可以了。国外规范一般把剪力墙底部区域称为底部塑性铰区,这样概念更清楚,很明显底部就是要先进入塑性的,也就不会有是否应该指定为关键构件这样的问题了。


早期的超高层结构,大部分将剪力墙底部塑性铰区指定为关键构件,相当于把底部区域的设计弯矩乘以大于1.2的放大系数,使得在大震作用时上部墙体先坏,由上文可知,先坏部位应该加强其抗弯延性,也就是需要把上部破坏区域剪力墙的构造边缘构件升级为约束边缘构件,约束边缘构件可仅在破坏区域设置,不需要连续延伸到底部区域。2013版广东省高规明确提出了底部加强部位可以不指定为关键构件,在此之后超高层结构就有了底部塑性铰区不做为关键构件的设计。美国规范的设计思路是让塑性铰首先出现在底部,其实塑性铰无论出现在底部还是顶部都可以通过计算及构造措施保证结构在大震下的安全,只是底部先破坏更加的自然合理,因为正常来说弯矩最大的部位一定出现在底部,底部会首先破坏,让上部先破坏违反了这种天然的特点,容易提高结构造价。


事实上,关键构件的指定并没有一个简单的教条,关键构件的确定最终是由设计师进行综合判断来确定的。关键构件就如同人体的心、肺等内脏器官,对我们的生命安全起着至关重要的作用,消耗地震能量的任务我们交给耗能构件来完成,关键构件我们要确保其在大震作用下处于弹性或者至少不屈服状态。抗规弹性设计时荷载效应要计入分项系数,结构抗力除以抗震调整系数;不屈服设计荷载效应不考虑分项系数,结构抗力也不除以调整系数,如下图公式,M.1.2-1为弹性设计,M.1.2-2为不屈服设计:

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在设计理念上关键构件为高弹性承载力、低延性设计,耗能构件为低弹性承载力、高延性设计。当底部砼框架柱设定为关键构件时,由于其延性要求低,所以对于箍筋的体积配箍率相对普通构件可以放松,这在力学直观上也容易理解,既然处于弹性阶段,没有发生很大变形,那么自然就不需要很强的延性能力。当底部钢柱设计为关键构件时,我们已经保证了其在大震时不屈服从而不产生大的变形,所以其板件宽厚比就不需要过于严格的要求,可以做的相对纤薄。


普通竖向构件


在明确了耗能构件和关键构件之后,结构中剩余的竖向构件就是普通竖向构件了,普通竖向构件破坏顺序介于耗能构件和关键构件之间,大震作用下破坏程度也介于耗能构件和关键构件之间,大震作用下允许一定程度的损坏。


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