延性钢筋混凝土结构设计浅析

摘 要：文章分别对混凝土框架结构域剪力墙结构的延性设计的要点和重要性进行了简单的分析探讨，并且将竖向和水平构件的内力计算及延性设计思路进行了列举计算，以供参考。关键词： 框架结构；延性结构； 混凝土

中图分类号：TU375文献标识码：A

前言：

延展结构是指如果一个建筑结构在承载力基本保持不变的情形下，仍能有较大塑性变形能力。延性结构在地震作用下进入弹塑性状态时，能吸收耗散大量地震能量，此时虽然变形较大但不会出现超出抗震要求的严重破坏或倒塌， 故结构都应按照延性要求进行抗震设计。

具备一定经验的结构设计师都知道，延性钢筋混凝土结构即使在大震下结构构件达到屈服，仍然可以通过屈服截面的塑性变形来耗散地震能，避免发生脆性破坏。下面分别对钢筋混凝土框架结构和剪力墙结构的延性设计做一简述。

1.框架结构的延性设计要点

1）强柱弱梁

从抗弯角度讲，要求柱端截面的屈服弯矩要大于梁端截面的屈服弯矩，使塑性铰尽可能首先出现在梁的端部，不会引起结构局部或整体破坏耗能的梁塑性铰早出多出，结构仍能继续承受外荷载而只有当柱根也出现塑性铰时结构才达到破坏，从而形成强柱弱梁，但不允许在梁的跨中出角。底层柱柱根的塑性铰应较晚出现，各层柱子的屈服顺序应错开，不要集中在某一层。

2)强剪弱弯

强剪弱弯的设计要点实质是控制梁柱构件的破坏形态， 使其发生延性较好的弯曲破坏， 避免脆性的剪切破坏。适筋梁或大偏压柱具有较好的延性，可耗散地震能量，使内力重分布得以充分发展，而钢筋混凝土梁柱在受到较大的剪力时，往往呈现脆性破坏。故应使构件的受剪承载力大于受弯承载力，且保证构件在塑性铰出现之后也不过早剪切破坏。下面根据国家抗震规范中与此相关的具体设计指标逐一阐述。

①梁柱的剪跨比 λ 限制λ=M/(Vh0)，M 为计算截面上与剪力设计值对应的弯矩设计值；h0 为截面计算高度剪跨比 λ 反映了构件截面承受的弯矩与剪力的相对大小，是影响梁柱变形能力的主要因素之一。对于柱，λ≥2 的属于长柱，只要设计构造合理，通常会发生延性的弯曲破坏；1.5≤λ

②梁柱的剪压比限制设计中应使梁柱的剪压比即， V/(fcbh0)不超过规范允许的限值， 它实质上是对构件最小截面尺寸的规定。规范对不同情况下的剪压比规定了最大值。梁柱满足剪压比要求，可以有效地防止斜裂缝的较早出现， 减轻混凝土破坏程度， 这是因为如构件截面尺寸过小或混凝土强度过低，按抗剪承载力公式算出的箍筋面积会很大， 则箍筋还未充分发挥作用之前，构件就会过早地出现脆性斜压破坏。

③框架柱的最大轴压比 μN 和最小体积配箍率 ρV轴压比 μN=N/(fCA),其中N 为包含地震作用组合的柱轴压力设计值；fC 为混凝土轴心抗压强度设计值；A 为柱的全截面面积。

试验究表明，轴压比大小与柱的破坏形态和变形能力密切相关。轴压比过大时，柱会出现受拉钢筋并不屈服的小偏心受压破坏；而轴压比适中时，柱可出现受拉钢筋首先屈服的大偏心受压破坏，受拉钢筋可以较好地耗散地震能量。且轴压比是影响柱的延性的重要因素之一，柱的变形能力随轴压比增大而急剧降低，尤其在高轴压比下， 增加箍筋对改善柱的变形能力作用并不明显。因此在设计中应按规范的最大轴压比限值要求， 严格限制不可过大，以使框架柱在地震作用下仍能实现大偏心受压下的弯曲破坏，使柱具有足够的延性变形能力。

体积配箍率 ρV箍筋对核心混凝土具有约束作用，对柱的延性非常有利， 这已被震害实例和结构试验所证明。一般用体积配箍率 ρV 来衡量箍筋对核心混凝土所具有约束程度：

ρV=AvLv/bhs,其中Av 为箍筋的截面积， Lv 为箍筋的总长度， 则 AvLv 为箍筋的总体积，bh 为构件核心混凝土的截面积， s 为箍筋的间距，则 bhs 为在箍筋分布间距内的构件核心混凝土总体积。

规范对框架柱的体积配箍率 ρV 最小值，根据不同的轴压比规定了不同的数值，在设计箍筋时应严格遵守。同时箍筋对核心混凝土具有的约束作用，不仅与箍筋的配置量有关， 还与箍筋的配置形式密切相关。单个矩形箍筋对核心混凝土的约束作用较弱，螺旋箍筋的约束作用最好，复式箍筋对钢筋混凝土具有的约束作用大大好于单个矩形箍筋。故在设计时，应采用复式箍筋，最好为螺旋箍。随柱轴压比的升高，通过箍筋约束混凝土提高延性的效果会逐渐减弱，故只有在中等轴压比的情况下，才可通过提高箍筋用量的办法改善柱子延性。但在高层建筑的设计中， 底层柱子要承担很大的轴向压力， 很难把其轴压比控制在较低水平。大量的试验究表明，在柱中设置矩形核心柱（规范对于核心柱的截面尺寸和箍筋配置量均有相关规定），不仅可以提高柱子的受压承载力，也可提高柱子的延性变形能力，尤其对于轴压比很大的短柱。

④梁柱应设置箍筋加密区大量震害表明，框架梁端部和柱端部破坏严重，是框架梁柱的薄弱部位，故按照强剪弱弯原则箍筋应加密布置在梁柱端部的塑性铰区，规范称其为箍筋加密区。规范对加密区长度和箍筋间距,直径,体积或面积配箍率有具体规定。在梁柱端部的箍筋加密区配置足够的箍筋，可以约束核心混凝土，提高塑性铰区混凝土的极限应变值，提高抗压强度，防止斜裂缝的开展，这样塑性铰能充分变形和耗能，提高延性。梁柱的最大和最小纵筋配筋率试验表明：钢筋混凝土单筋梁的变形能力，随截面混凝土受压区相对高度 x/h0 的增大而减小，而 x/h0 着配筋率的增大，钢筋屈服强度的提高和混凝土强度等级的降低而增大，梁的延性性能就会降低。故国家《抗震规范》对框架梁的相对受压区高度x/h0 和最大配筋率 ρmax 作出了具体规定；同时框架梁也应满足最小配筋率要求。

国家《抗震规范》 对不同等级的框架柱最小配筋率 ρmin 也作出了具体规定,设计时应严格满足要求。这是为了避免地震作用下框架柱过早进入屈服阶段，增大屈服时柱的变形能力，提高柱的延性和耗能能力。

3)强节点及强锚固

因为梁柱节点区的受力情况非常复杂，故在设计时必须保证各节点不出现脆性剪切破坏，才可使梁柱承载力和变形能力得以发挥，即在梁柱塑性铰出现完成之前，节点区必须不能过早破坏。同时还要具有良好的延性，则其钢筋的锚固须足够强，不可失效，设计中应按规范的构造要求执行。

2.剪力墙结构的延性设计要点

剪力墙结构的延性设计要点与框架类似又不同，因为剪力墙的抗侧和抗扭刚度大，承载能力大，小震下变形小，但也应使其具有良好的延性和耗能能力。现简述如下：

1）强墙肢，弱连梁

除小开口墙和弱连梁连接的独立墙肢外，剪力墙大多为联肢墙;联肢墙的延性设计可通过 “强墙肢弱连梁” 来实现，使连梁先于墙肢屈服（可能是剪切或弯曲破坏），使变形和耗能分散于连梁中，墙肢之后屈服，并通过构造措施使墙肢具有良好延性和耗能能力。抗震规范通过弹性计算时把连梁刚度折减，从而减小连梁的内力来实现“强墙弱梁” 。

2) 强剪弱弯

抗震规范采用剪力增大系数来调整墙肢底部加强部位截面的剪力设计值和连梁端截面的组合剪力设计值，来实现墙肢和连梁的强剪弱弯。

3）墙肢和连梁的剪压比限制

为避免墙肢或连梁发生脆性的斜压破坏，抗震规范对二者截面的平均剪应力和混凝土抗压强度的比值加以限制，即设计时应限制墙肢和连梁的剪压比。

4）墙肢的轴压比限制

墙肢的轴压比是影响其延性的主要因素之一，为使墙肢具有一定的延性，应限制墙肢截面的相对受压区高度，该点可转换为限制墙肢的轴压比，故规范对不同抗震等级的墙肢的轴压比最大值做了详细规定。

参考文献：

建筑抗震设计规范 GB50011-2010 北京： 中国建筑工业出版社， 2010