钢筋混凝土建筑结构的抗震延性设计研究

摘要：增强结构延性是提高建筑抗震性能的重要措施，所以地震区的建筑结构应设计成延性结构。为了合理提高抗震结构的延性性能，应对抗震概念设计和构造措施予以重视，合适的概念设计和构造措施对结构的延性起着至关重要的作用。

关键词：抗震设计；建筑结构；耗能；延性

Abstract: Enhanced ductility is an important measure to improve building seismic performance, so the architectural structure of the earthquake zone should be designed as a ductile structure. Reasonable to improve the ductility of the seismic structure, to cope with the seismic concept design and construction measures to be attached to the concept of design, and construction of measures the ductility of the structure plays a vital role.

Key words: seismic design; building structure; energy consumption; ductility

一 建筑结构抗震延性设计的内涵

结构延性是指构件和结构在屈服后，具有承载力不降低或者基本不降低，且具有足够塑性变形能力的一种性能。结构的延性常常用延性比来表示。其含义有四层：整体与局部的协同；结构整体延性；构件延性；节点延性。结构概念设计是指在计算或设计中，对难以做出具体规定的问题，运用力学、材料等相关知识进行概念的分析判断，合理选用材料、结构形式，控制产生塑性铰的顺序和位置并采取相应措施实现通过塑性铰区域的变形，能够有效地吸收和耗散地震能量；同时，这种变形降低了结构的刚度，致使结构在地震作用下的反应减小，也就是使地震对结构的作用力减小，以达到提高结构延性合理抗震设计的目的。

二提高结构整体延性的原则和重要性

结构整体延性设计的获得主要依赖于建筑材料选择，结构及结构体系的合理布置，对框架梁、柱、节点的合理设计及采取的相关构造措施实现。结构体系上设置和控制塑性铰出现的顺序、位置、转动能力，塑性铰出现和转动量大小依次应为板、连续梁、框架梁、框架柱。框架梁、柱塑性铰应距节点适当位置。结构形式上对于高层建筑多使用钢骨一混凝土组合结构，或者是钢管混凝土结构，尤其是钢管混凝土，更将这两种材料能动地结合起来，钢管混凝土借助钢管对核心混凝土的约束，使钢管混凝土结构具备了高刚度、高抗力和更大的变形能力，而填充混凝土则可以减少钢管的局部屈曲变形，防止随之而来的钢管抗力的下降，且因混凝填满了整个钢管，不易出现一般钢筋混凝土和钢骨混凝土结构中发生的混凝土开裂、脱落现象，依靠套箍作用提高了混凝土的抗压强度和延性。 目前，结构抗震设计的基本原则是：“ 小震不坏，中震可修，大震不倒”。如果把建筑物设计成在强烈地震作用下仍呈弹性反应，那么建筑物的造价将是十分昂贵的。把建筑物设计成在强烈地震作用下呈非线性反应，进入屈服状态，靠结构的延性耗散地震能量，从而度过灾难而不倒塌，建筑物的造价比前者大大降低。此外，结构的延性也是建筑物遇到意外超载、碰撞、爆炸和基础沉降等引起超过设计预计的内力和变形是而不突然倒塌的保证。

在现代房屋结构设计中，延性研究越来越显得重要，钢筋混凝土结构延性的研究是塑性设计方法和抗震设计理论发展的基础。所谓延性是指材料、构件和结构在荷载作用下，进入非线性状态后在承载能力没有显著降低情况下的变形能力。描写延性常用的变量有：材料的韧性，截面的曲率延性系数，构件或结构的位移延性系数，塑性铰转角能力，滞回曲线，耗能能力等。试验和非线性计算分析表明：构件的结构的破坏由受拉钢筋引起的，常表现出良好的延性，如适筋梁、大偏心受压柱等；而破坏由混凝土拉断、剪坏和压溃控制的常表现为脆性，如素混凝土板、超尽梁、地震作用下剪切破坏的短柱等。在地震作用下，混凝土结构或构件的破坏可分为脆性破坏和延性破坏两种，其中脆性破坏的危害时非常大的，设计上是一定要避免的，而延性破坏时指构件承载力没有显著降低的情况下，经历很大的非线性变形后所发生的破坏，在破坏前能给人以警示。钢筋混凝土结构的各类构件应具有必要的强度和刚度，并具有良好的延性性能，避免构件的脆性破坏，从而导致主体结构受力不合理，地震时出现过早破坏。因此，可以采取措施，做好延性设计，防止构件在地震作用下提前破坏，并避免结构体系出现不应有的破坏。

三钢筋混凝土结构的延性抗震设计

结构遭遇罕遇大震时，将进人塑性阶段而产生较大变形，要求结构在保持一定承载能力的条件下通过塑性变形来吸收地震能量，以提高结构的抗震能力，因此，钢筋砼结构抗震设计均要求结构满足基本的设计准则，如平面布局的规则性，竖向刚度的连续性等，并要求实现以“强柱弱梁，强剪弱弯，强节点、强锚固”的延性框架概念设计，并辅以必要的构造措施来保证结构局部薄弱区域的强度与刚度，以加强结构的整体性，增强延性，从而提高变形能力。

1 强柱弱梁

合理地选择框架结构破坏机理是框架结构延性设计的关键。强柱弱梁型对应的破坏机理系在框架梁上首先出现塑性铰，通过梁上塑性铰的形成来消耗巨大的地震作用，从而降低地震作用对结构的反应．当结构经受较大侧向位移时，要确保框架结构的稳定性，并维持它承受竖向荷载的能力，就必须要求非弹性变形一般只限于梁内，从而保证了框架柱具有足够的抗弯承载能力储备，大大减少柱端屈服的可能性。因此，框架结构应设计成强柱弱梁型，即要求框架节点处柱端实际受弯承载力要大于梁端实际受弯承载力，从而达到“强柱弱梁”的

计算要求。

2 强剪弱弯

为使框架结构具有良好的延性，首先结构构件和节点不能发生脆性破坏。在强震作用下，结构的内力将按照各构件的实际承载能力进行重分配，为防止梁、柱端塑性铰区在弯曲屈服前出现脆性剪切破坏，就要求这些构件的受剪承载力大于构件屈服时实际达到的剪力值，这就是“强剪弱弯”的计算要求。框架结构“强剪弱弯”的设计原则主要由设计剪力的计算、抗剪承载力计算公式的选取以及必要的构造措施来体现。

(1)设计剪力(作用效应)的计算与抗弯承

载力的计算类似，按抗震等级的不同采用地震效应调整系数，但较抗弯承载力计算更严格，以相对提高抗剪承载力。同时为减少框架梁柱在非弹性反应区域内发生剪切破坏的危险，梁(柱)端部的设计剪力应与梁(柱)端部形成塑性铰后的极限抗弯强度相对应；

(2)抗剪计算公式的选取主要表现为考虑到地震作用的反复性及剪切问题的离散性，采用在纵筋屈服后的偏下限抗剪承载力计算公式，并辅以一定的抗震构造措施。与抗弯承载力的计算类似，抗剪计算一方面需增大结构设计的可靠度(提高作用效应)，而且更为重要的是应根据结构延性要求的不同，即抗震等级的不同，提出不同的抗剪承载力计算公式。

3 强节点强锚固

梁柱节点是保证框架结构延性的关键部位，这就要求在梁铰机构充分发挥作用以前，框架节点和纵筋锚固不应过早破坏。框架节点破坏主要是因为节点处核心区箍筋数量不足，在剪力与压力的共同作用下，节点核心区砼出现斜裂缝，箍筋屈服甚至拉断，柱的纵筋被压屈甚至拉断而引起的。故规范通过保证核心区砼强度及配置足够数量的箍筋来防止节点核心区的过早剪切破坏，而强锚固要求则通过在静力设计锚固长度的基础上叠加一定的抗震附加锚固长度，利用钢筋锚固端的机械锚固措施等来实现的。为保证梁柱屈服后节点仍对其有约束作用，框架节点设计应严格按照相关的规范进行。

四保证建筑结构抗震延性的整体措施

（1）轴压比限值：柱的轴压比是影响框架结构延性的重要因素。柱的延性随轴压比增大而减小，轴压比超过界限值将发生小偏压脆性破坏。在抗震设计中应控制柱的轴压比不超过限值，使其发生大偏压破坏并具有一定延性。规范规定，对于框架柱相应于一、二、三级抗震时，轴压比限值分别为0.7、0.8、0.9。这里规定的轴压比限值系指柱轴压力设计值与柱轴压承载力设计值得比值。

（2）纵筋的构造要求：梁的延性随截面受压区高度减小而增大，一般截面受压区高度χ=0.35∶0.20ho时，位移延性系数相应为3～4。所以规范规定，一级抗震等级时，χ≤0.25ho，二、三级抗震等级时，χ≤0.35h0，并且要求受压钢筋与受拉钢筋之比控制在一定范围内，即A' s≥0.5As（一级抗震），A' s≥0.3As（二级抗震）。为防止过多的纵向受拉钢筋在地震中使梁产生粘结劈裂破坏，规范还规定ρs≤2.5%。在地震作用下，梁的反弯点变化很难准确预计，所以应有足够数量的钢筋贯通梁的上、下部。同时将梁的最小配筋率比非地震作用时的规定予以提高。为防止地震作用下柱子少筋脆性破坏和超筋粘结劈裂破坏，柱的纵向配筋率不得少于0.8%、0.7%、0.6%、0.5%、（相应于一、二、三、四级抗震等级），角柱的上述限值相应提高0.1%；柱的纵向配筋率最大间距不宜超过200 mm。

（3）箍筋的构造要求：箍筋不仅提供构件和节点的抗剪能力，确保“强柱弱梁”和“强节点”设计目标的实现，同时还对梁、柱塑性铰区混凝土和受压钢筋提供约束作用，延缓塑性铰的破坏过程，从而改善结构的延性和耗能能力。梁和柱的剪切破坏区和弯压塑性铰区均发生在构件的两端，因此应对构件两端的箍筋加密设置。加密区的构造要求包括加密区的长度、箍筋最小直径、最大间距和最小体积率的规定。同时规范还规定了箍筋延构件全长的最小体积率以及节点的最小体积率。其中柱加密区和节点的箍紧最小体积率除与抗震等级有关外，还与柱的轴压比和箍筋的类型有关。抗震等级高要求的最小体积率高、轴压比高要求的最小体积率高，采用普通箍筋比采用螺旋箍筋要求的体积率高。对于一级抗震的角柱在地震作用下可能伴随扭转作用，Hn/h 小于4 的框架柱可能产生剪切破坏，这两种情况需要在全长加密箍筋。可见箍筋的构造规定是保证“大震不倒”设计目标实现的最重要的措施。

总之，我国现行抗震规范(GB50011―2001)对框架结构的延性设计着重在概念设计，但框架结构在进入弹塑性阶段后的抗震性能主要还是依靠抗震措施来保证。框架结构的抗震等级与变形能力及其与构件的变形能力至今仍无明显的定量关系。在框架结构的延性设计中如何实现其在抗震措施的定量化并在设计中付诸实施，仍是一个值得大家共同研究、探讨的问题。

参考文献：

[1]GB50011―2001，建筑抗震设计规范[S]．

[2]GB50010―2002，混凝土结构设计规范[S]．

[3]左宏亮，戴纳新，王涛．建筑结构抗震[M]．北京：中国水利水电出版社，2009．

[4]郝进锋，王振．地震区城镇建筑框架结构概念设计[J]．世界地震工程，2007(3)：120―123．

[5]尚建宁．多层钢筋混凝土框架结构抗震设计[J]．山西建筑，2007，33(3)：17―18．