浅谈结构设计中的延性

【摘 要】目前钢筋混凝土结构在我国新建建筑中仍占有很大比例，随着近年来地震频发，人们越来越关注结构的抗震性能化设计，然而受制于经济性、使用性能和对地震作用定量研究的深度等因素，现阶段的结构设计仍以结构“小震不坏、中震可修、大震不倒”的三水准为设计目标，这就对建筑的延性设计提出了更高的要求。本文从材料的延性着手，在截面、构件、结构的延性等方面进行总结，提出了延性设计的一些思路。

【关键词】混凝土结构；结构设计；延性

地震是一种自然现象，它的特点是短暂突发，数值大，以地震波的形式存在，人们往往无法进行准确及时的预报。因此，常给人类造成巨大的经济损失和人员伤亡。最初人们通过加强结构构件的承载力来抵抗地震带来的伤害，但这样的做法一来极不经济，二来使得建筑的使用性、舒适性很差，三由于地震强度不确定性并不能完全实现“抗震”。因此人们开始关注延性这一材料所具有的自然属性，以期满足建筑使用性能的同时实现建筑的抗倒塌性。

1、材料的延性

延性是一种物理特性，其所指的是，材料在受力而产生破坏之前的塑性变形能力。目前我国使用的建筑材料主要为混凝土和钢材。混凝土是由胶凝材料，颗粒状集料（也称为骨料），水，以及必要时加入的外加剂和掺合料按一定比例配制，经均匀搅拌，密实成型，养护硬化而成的一种人工石材。混凝土具有抗压强度高，耐久性好，强度等级范围宽等特点，但是其延性性能较差，在破坏前无明显变形或其它预兆，因此无法单独做为建筑材料。钢材具有很好的延性，在冲击和振动荷载作用下，能够吸收较大的能量，同时能产生一定的变形而不致破坏，是优良的建筑材料，价格是现阶段影响其使用范围的主要因素。

在钢筋混凝土结构中，钢材主要的应用形式为钢筋、钢骨、钢管等，其作用是，通过合理的配置使得混凝土材料的延性得以改善，并充分发挥各自的优点。从大量的试验中，人们发现虽然混凝土材料本质上是脆性材料，但在三向约束的条件下，其表现出了较好的延性，目前结构设计上主要通过钢筋，钢管对混凝土的有效环向约束，使得混凝土材料具有了较好的延性。

图一 约束混凝土与无约束混凝土的比较

从图一中可以明显看出，有约束混凝土的延性比无约束混凝土有了极大的提高，使得我们可以在建筑中更好的使用混凝土这一廉价人工石材。

2、截面的延性

针对钢筋混凝土构件截面承载力的计算，目前基本建立在“平截面假定”的基础上，截面的延性主要取决于混凝土受压区高度以及纵筋配筋量是否合理，而这两者是互相影响的。简单来说当截面有较好的延性时，混凝土的受压区不应太大，破坏始于受拉钢筋的屈服，在受拉钢筋应力达到屈服强度时，混凝土受压区的应力峰值未达到极限值，因此并未破坏，此时由于钢筋屈服，因此变形很大，而承载力下降不多甚至还由于受压区范围的增加而小幅增加，从而表现出很好的延性。而对于柱体现在控制轴压比，从而控制受压区高度，并通过纵筋的最小、最大配筋率控制合理的配筋量，从而实现截面的延性。

3、构件的延性

梁、柱、墙是结构设计中常用的构件，它们的延性是如何实现的呢？

3.1梁的延性

梁作为建筑最常用到的水平构件，其延性的好坏对建筑的抗震性能有直接的影响。梁是水平构件，地震中即使发生破坏，也只是局部楼盖的问题，不会造成结构的整体破坏，因此设计师希望地震来时梁发生延性破坏，出现梁铰，吸收地震力，提供足够的转动能力，以局部破坏换取整体的相对完整。

梁可以看成是若干个截面构成的，因此受压区高度仍然是延性的重要控制指标。同时梁除了承受弯矩，还有剪力和扭矩的作用，而这两种作用对梁破坏往往是脆性破坏，其破坏过程没有任何较大的变形。对此规范主要采取了构造要求，控制剪扭的最小截面，并通过配置箍筋增加梁的抗剪、抗扭承载力，使其“破坏”只发生在“弯曲破坏”之后，同时楼板也会对梁的抗剪以及抗扭提供有力的帮助。对于重要的梁，设计中可以通过对混凝土施加较强的约束，来提高延性，就像连梁箍筋的通长加密；应严格控制梁的受压区高度，特别注意梁上开洞造成的梁的受压区截面减少，对梁带来的不利影响；合理采用已有的设计经验，比如在混凝土结构中采用已在钢结构中大量使用的“狗骨头”梁，可以结合梁上开洞，同时解决设备和结构的要求；此外采用劲性混凝土梁也可以大幅度提高梁的延性。

3.2柱的延性

柱作为建筑最常用到的竖向构件，其延性的好坏对建筑的抗震性能有重要的影响。柱式主要的承受竖向荷载的构件，地震中如果破坏就会造成结构的整体破坏，因此应尽量避免框架柱的破坏。

柱的受力较为复杂，通常轴力、剪力、弯矩同时作用，控制轴压比，剪跨比就显得更为重要。通常可采取的方法有：选用合适的混凝土等级，混凝土的延性随着其强度的提高而降低，虽然因为强度提高柱的轴压比有所减低，但同时延性却在下降，选取合适的混凝土强度就很重要，抗震规范表6.3.6建议使用C60以下等级的混凝土。约束混凝土也是提高柱延性的方法之一，可以通过箍筋、钢管（圆形、方形）甚至纤维材料（多用于已有建筑的抗震加固）来实现对混凝土的有效约束，提高混凝土的极限压应变，从而提高变形能力。此时配箍率就是主要的衡量指标，框架柱的延性一般和配箍率成正比。由于柱承受的轴力较大或者建筑隔墙、层高的问题，会出现短柱甚至剪跨比比小于1.5的柱，此时往往通过箍筋加密，设置芯柱解决。

3.3墙的延性

墙也是建筑最常用到的竖向构件，一般作为建筑抗震的第一道防线，其延性的好坏对建筑的抗震性能有重要的影响。影响剪力墙延性的主要参数为剪跨比,也可采用高宽比进行衡量，细高的剪力墙通常（高宽比大于3）往往是具有延性的弯曲破化剪力墙。剪力墙的延性往往通过合理的连梁设置实现，也可以在墙端部设置带钢骨的边缘构件或者墙体内埋钢板获得提高。

4、结构的延性

结构是由若干数量的梁、柱、墙等构件组合而成的，结构的延性受构件延性的影响，但又不是简单地求和。简单来说应该是合理的构件组合，才能有最佳的延性性能。

影响结构延性设计的主要因素为：纵筋的配筋率，箍筋的配箍率，混凝土材料的强度，轴压比，剪跨比。这些也都是影响构件延性的因素。

目前抗震结构多为超静定结构，在地震作用下通过形成塑性铰，大量消耗地震传给建筑物的能量，从而保证建筑的安全，在这一过程中结构变现出来的在较大的变形情况下仍能保持较高承载力的能力就是结构的延性。通常通过“强柱弱梁”、“强剪弱弯”“强节点、强锚固”来实现。

虽然规范通过计算放大，构造加强等措施从理论上实现了“强柱弱梁”，但由于楼板并没有完全参与计算，导致是实际情况并不完全相符，目前采取的措施多为加强框架柱，那么能否在楼板上采取一定的构造，削弱其对梁的影响？这方面应该可以通过更多的研究得到一些有益经验。“强剪弱弯”“强节点、强锚固”都是采取一定的计算和构造措施，相应的推迟剪切破坏以及节点破坏，使其发生在具有延性的弯曲破坏之后，从而实现结构的延性。实际工作中，发现如果合理的进行竖向构件加强，对结构的延性也是有益的，比如在建筑层高变化层的上下一定范围内的楼层，加强其竖向构件的延性，使得变形能力协调和顺。

5、总结

结构设计中的延性设计，本质上就是抗震设计，它更多地表现为概念设计。要求结构工程师从多方面入手，系统的分析，采用合理恰当的方法解决设计中遇到的问题。本文从材料的延性着手，在构件、结构的延性等方面进行总结，提出了延性设计的一些思路。

参考文献

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[4] 蓝宗建梁书亭《混凝土结构设计原理》.南京：东南大学出版社，2002.

[5] 马林东王彤建筑结构的延性设计新乡学院学报：自然科学版，2010年4月.