抗震等级的改变对结构配筋量的影响

抗震等级的改变对结构配筋量的影响

王元德

广东省建筑设计研究院广东广州510000

摘要：抗震等级是决定建筑材料用量的重要的因素。了解抗震等级对结构配筋的影响，有助于建筑结构设计人员对建筑成本有更清晰的认识，以便采取更合适的方案以达到经济的目的。本文对比分析了两种抗震等级下的同一框架结构的钢筋用量变化，并分析了钢筋用量变化的原因。

关键词：抗震等级；结构计算；钢筋用量

1、前言

设计部门需要依据国家有关规定，按建筑物重要性分类与设防标准，根据设防类别、结构类型、设防烈度和房屋高度四个因素而采用不同的抗震等级进行建筑抗震设计。抗震设计包括地震作用计算、抗力计算和抗震措施三个内容组成。建筑物所受的地震力受设防烈度、场地条件以及建筑物本身的特性所决定。目前地震力的计算主要采用底部剪力法和振型分解法。两种方法都是采用地震影响系数进行计算。水平和竖向地震影响系数只受设防烈度的影响，不受抗震等级的影响，所以抗震等级的改变不会影响根据规范计算出的结构地震力，结构的抗力计算也和抗震等级无关，但抗震等级会通过影响结构的抗震措施进而影响结构的构件尺寸和配筋。

2、抗震措施

抗震措施包括抗震构造措施、内力调整、结构体系限制、平立面要求、高度和层数限制等，均与抗震等级有关。抗震等级越高，抗震措施的要求越高。对一个结构而言，提高抗震措施与提高地震作用的不同在于前者着重于提高结构薄弱部位的抗震能力上，是一种经济而有效的方法。由抗震等级所决定的抗震构造措施包括竖向构件的轴压比，构件的最小截面，纵筋、箍筋、分布筋的最小配筋率，钢筋的搭接长度，钢筋的间距和净距限制，箍筋最小直径及加密区最大间距，剪力墙边缘构件配筋要求等等。构造措施和计算无关，不同的构件需要满足特定的要求。抗震等级越高，抗震构造措施的要求越高，结构材料用量越多。

在经过结构分析计算后，各构件的内力标准值还需要根据规范进行修正和调整，然后进行组合得到最终的设计值。内力调整一般分为两类。第一类属于结构整体内力调整，例如楼层最小地震剪力、薄弱层剪力放大、框剪结构中框架部分所受地震总剪力的调整等，这类的特点是某设计值在不满足规范的特定的具体要求时才需要进行调整，调整的部位和系数大小均需计算才能确定；第二类是特定构件梁、柱、抗震墙的内力调整，特点是调整的部位明确，调整系数的大小不需计算确定，由抗震等级决定。本文主要对第二类调整进行对比分析。

3、模型对比

为了更直观的了解抗震等级对结构配筋的影响，建立了一个盈建科模型，在两种抗震等级下进行结构计算和对比。模型为一常规的框架结构，X方向6跨，Y方向4跨，柱间距5米，层高4米，共8层，如图1所示。梁板荷载按照建筑结构荷载规范进行布置。设防烈度为8度（0.30g），第2组，Ⅱ类场地。抗震等级为别为四级和二级。梁截面为200mmx600mm，柱截面为600mmx600mm，截面尺寸满足抗震等级要求的构造措施。因混凝土用量两者一致，所以仅对比两个模型的梁、柱内力和配筋。

图1.建筑平面布置

由恒载、活载、风载以及地震作用组合的基本组合、标准组合、频遇组合以及准永久组合的各种工况中，不涉及地震作用的工况在两种抗震等级下的梁柱内力是一样的。有地震组合的工况中，二级抗震等级的柱剪力和弯矩、梁剪力相对于四级均有增大，增大幅度有所不同；以建筑中部的同一框梁和框柱所有工况的内力包络值为例，四级抗震等级提高到二级时，柱剪力放大47.7%，柱弯矩放大25.0%，梁剪力放大10.9%。二个模型的梁弯矩、柱的竖向轴力是一致的。下面以统计后的梁、柱、板的实际钢筋用量给出更为直观的对比。

表1两个模型的钢筋用量对比

由上表可以得知，抗震等级从四级提高到二级时，梁纵筋几乎没有变化，梁箍筋增加25.2%（次梁的纵筋和箍筋没有变化），柱纵筋增加26.5%，柱箍筋增加76.8%，板钢筋没有变化，整体钢筋用量增加12.9%。最终实配钢筋不光要满足抗力计算，还要满足构造措施加强的要求，所以构件的实际配筋提高比例要高于其内力提高比例。

由前文所述，地震效应不会随抗震等级的变化而改变，但是抗震等级所对应的构造措施要求和内力调整系数随抗震等级的提高而增加，导致模型计算出的含有地震效应的各种荷载工况幅值变大，进而使得梁柱配筋增加。其中柱的弯矩按照抗规式6.2.2-1进行调整；柱的剪力按照抗规式6.2.5-1进行调整，该式的弯矩已经根据抗规式6.2.2-1弯矩调整公式调整一次，所以柱剪力相当于进行二次调整；梁的剪力按照抗规6.2.4-1进行调整，所有的调整系数均随抗震等级的提高而增大。而梁的弯矩和柱的轴力以及次梁的弯矩和剪力按照规范均不需调整。抗震等级的提高虽然没有影响梁弯矩和柱轴力，但是规范中对柱的轴压比限值和端部考虑受压区钢筋的混凝土梁的受压区高度要求会随之提高，梁柱截面有可能会需要增加。本模型为了简化对比，梁柱截面设置均满足构造要求。

——抗规式6.2.2-1

为框架柱端弯矩增大系数，一二三四级框架结构分别取为1.7、1.5、1.6、1.2；

——抗规式6.2.4-1

为梁端剪力放大系数，一二三级分别取为1.3、1.2、1.1；

——抗规式6.2.5-1

为柱剪力放大系数，一二三四级框架结构分为取为1.5、1.3、1.2、1.1。

在地震作用下，柱的破坏会危及结构整体安全，梁的破坏是局部破坏，同时受剪破坏是脆性破坏，应避免梁柱弯曲屈服之前出现剪切破坏。以上三个内力调整公式体现着结构设计强柱弱梁、强剪弱弯的原则。实际结构设计中，将构件承载力的调整转化为内力设计值的调整。柱所受的弯矩要大于于梁；梁、柱的受弯破坏要先于受剪破坏发生，这也是梁弯矩不调整，梁剪力和柱弯矩一次调整，而柱剪力进行二次调整的原因。不同的抗震等级采用不同的增大系数，框架柱端弯矩和剪力、框架梁端弯矩设计值有不同程度的差异。

结语

随着抗震等级的提高，柱的箍筋是变化最为显著的，其次是柱和主梁的箍筋；抗震等级的改变对主梁的纵筋和次梁的配筋没有影响，竖向构件的轴压比也不会变化，但由于抗震等级的提高，轴压比限值会降低以及内力调整系数的增大，梁柱截面可能会需要加大。同样，抗震等级的改变不会影响结构的周期、位移比和位移角等整体信息。建筑结构设计人员在不同的方案之间可以根据此变化规律，调整结构形式，或者采取隔震措施降低结构的抗震等级，对比所得到的效益和成本，达到安全、经济的目的。

参考文献：

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