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工程结构147（2017）752–767

工程结构

一种能同时提高钢筋混凝土框架结构抗震性能和抗连续倒塌能力的新型弯扭钢筋配置

文章信息

文章历史：

2016年12月4日收到

2017年4月25日修订

2017年6月17日接受

2017年6月23日在线提供

关键字：

钢筋混凝土（RC）框架扭结钢筋大变形梁段抗震

连续倒塌

摘要

地震引起的侧向倒塌和柱子突然破坏引起的连续倒塌是建筑物最常见的两种破坏机制。为了同时提高钢筋混凝 土框架结构的抗震性能和抗连续倒塌能力，提出了一种使用弯折钢筋的新方法。由于弯折钢筋在拉力作用下可 以逐渐拉直，因此具有较大的变形能力，在钢筋混凝土框架结构中，弯折钢筋可以布置在均布竖向荷载作用下 梁的反弯点附近。首先，通过单轴拉伸试验，研究了弯折钢筋的等效应力-等效应变关系和变形模式。其次，通 过三点和四点弯曲试验，研究了局部弯折钢筋简支梁的荷载-挠度关系和破坏模式。?三， 基于纤维梁模型， 对梁中配置局部弯折钢筋的六层钢筋混凝土框架的抗震性能和抗连续倒塌性能进行了数值模拟。新的带弯折钢 筋的梁截面的力学性能被用来重新定位塑性铰，并成功地提高了计算的RC框架的抗连续倒塌能力。

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1. 介绍

钢筋混凝土（RC）框架结构是应用最为广泛的结构体系之一，在其 服役过程中，可能会遭受地震、爆炸、撞击等多种灾害。地震引起的侧 向倒塌和连续倒塌是两种最典型的破坏机制。[1].应有效控制钢筋混凝 土框架的破坏模式，包括实现梁的侧移机制和避免连续倒塌，特别是在 倒塌前的极端状态。然而，根据以往的地震调查，即使采用“强柱弱梁” 的抗震设计，钢筋混凝土框架也不能轻易实现“强柱弱梁”的破坏机制[2– 4].此外，现有的抗震和抗连续倒塌设计方法仅针对个别倒塌模式，但最近的研究表明，在某些情况下，这两种倒塌模式之间的相互作用是负面 的[5–7].在连续倒塌设计中，框架梁被显著增强以抵抗垂直倒塌荷载， 主要通过

*通讯作者。

电子邮件地址：fengpeng@tsinghua.edu.cn （P.冯）。

在梁中增加钢筋；在抗震设计中，由于“强柱弱梁”的要求，梁中不允许 有过多的钢筋[7].在此基础上，本文提出了一种新的方法，以经济地解决钢筋混凝土框架结构抗震设计与抗连续倒塌设计之间的矛盾，同时提 高钢筋混凝土框架结构的抗震性能和抗连续倒塌能力。

塑性铰的位置一直被认为是影响钢筋混凝土框架结构在大水平荷 载作用下抗震性能的重要因素。近年来国内外的震害调查表明，钢筋 混凝土框架结构的脆性破坏往往发生在不利的部位，如柱端、梁柱节 点等。柱铰破坏是破坏性的，因为底层柱是整个结构非常重要的承载 构件。此外，梁柱节点剪切破坏导致钢筋与周围混凝土的粘结退化以 及节点区强度和刚度的严重退化。因此，延性抗弯框架的抗震设计旨 在迫使结构以“强柱弱梁”的方式响应。然而，在2008年汶川

http://dx.doi.org/10.1016/j.engstruct.2017.06.042

0141-0296/copy;2017爱思唯尔有限公司版权所有。

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图1.钢筋混凝土框架结构的破坏模式和2008年汶川地震中钢筋混凝土框架柱铰破坏的概貌。

表1

现有的塑性铰重新定位方法。

类型 方法 提及

在我国地震中，大量钢筋混凝土抗弯框架体系没有实现理想的“强柱弱梁”屈服机制[2–4].相反，大部分的裂缝损坏

以及在柱端而不是梁端形成的塑性铰链。

强化方法

弱化方法

附加45°弯曲钢筋 [8]

附加90°弯钩杆 [8–11]

附加带头钢筋 [12–14]

焊接在钢筋上的粘结板 [15]

额外的U形杆 [16]

关节面积增大 [17]

金属拱腰 [18]

纤维增强聚合物（FRP） [19–24]

混凝土夹套 [25–27]

钢套 [28]

弯曲部分主梁钢筋 [29]

切断部分主梁钢筋[30] 在梁腹板中创建洞口 [31]

结束（图1).

最近的研究表明，结构可以这样设计，即潜在的塑性铰出现在梁中距离 节点核心区一定距离的地方。为此，研究了提高结构抗震性能的各种塑性铰改设方法，将其分为三类：加强法、削弱法和置换法。中列出了所有方法。表1 [参考文献[8–34] 引用于表1].然而，据作者所知，大多数加固方法都侧重于保护梁柱节点

但不是柱端。削弱方法可以成功地

减少主梁钢筋的截面面积

替换方法 应用超弹性形状记忆合金

[11]

[32]

重新布置塑性铰，但同时也降低了结构的抗连续倒塌能力。根据现有知识， 很难构造替换方法。因此，新方法

应用压缩使块屈服 [33–34] 需要开发。

图2.静态连续倒塌试验中的试件概述[36]

图3.扭结钢筋与传统钢筋相比。

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（a）局部扭结钢筋的位置

（B）工况一：地震荷载

（C）工况二：拆柱引起连续倒塌

图4.扭结钢筋在框架结构中的应用。

图5.扭结钢筋试样的试验装置。

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表2

扭结钢筋试件和原始钢筋的细节和试验结果。

a中国规范中钢筋的两个等级[39].

建筑结构的连续倒塌被定义为由初始局部破坏引起的不成比例的 或整体的结构倒塌，并在结构系统中传播。[35].连续倒塌不仅会造成 人员伤亡和财产损失，还会产生严重的社会、心理和经济后果。因此， 如何最大限度地降低连续倒塌风险越来越受到世界各国的关注。许多研 究人员在柱拆除方案下对梁柱子结构进行了静态倒塌试验。作者最近进 行的一项实验研究[36] 揭示了钢筋混凝土框架在不同变形状态下表现出不同的抗连续倒塌机制：对于小变形，抗倒塌机制由梁端的抗弯承载力 和梁内的压缩拱作用提供；

而对于大变形，通过梁中的张力由悬链线作用提供阻力（图2).

在现行规范中，拉结力法是连续倒塌设计的定量方法之一。来自 TFS的阻力极大地影响抗连续倒塌能力，并且通常由现有的结

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