混凝土结构结构钢筋延性的意义及设计要点

摘要：本文首先简述了钢筋混凝土结构抗震承载能力设计机理，其次介绍了结构进入塑性阶段的铰破坏机制，重点分析了不同破坏机制的优缺点，最后介绍了使结构达

到理想破坏铰机制的承载能力级差设计法。

关键词：抗震设计、方法、途径

中图分类号： S611 文献标识码： A

地震是地壳相对运动、相互挤压所引起的大规模地面振动。其对建筑结构危害极大，继而危及人类的生命财产安全。因此必须对地震区的建筑结构进行必要的抗震设计。但地震又是偶然发生的，其发生频率体现出概率意义上的统计规律。在结构的使用期限内可能不发生设防的地震或不发生地震。因此，充分、合理的利用抗震资源具有经济意义上的必要性。

一、 抗震设计途径

1.在抗震设计时，我们有这样两种途径。一是按设防烈度即中震对应的地震作用来进行结构的承载力弹性设计，使其在遭遇中震时保持在弹性范围内。另一种是适度降低设计地震作用的取值，按众值烈度即小震对应的地震作用进行结构的承载力弹性设计。

2.按第二种思路设计时，当结构遭遇设防烈度地震（中震）或罕遇地震（大震）时，结构将不可避免地进入塑性阶段，从而使结构的变形增大。考察构件在地震力作用下反应可以发现，一些构件如框架梁在梁端出现塑性铰后，仍然具有很大的延性变形能力，且其承载力不显著降低。而柱端在出现塑性铰后也具有一定的延性变形能力（受轴压比控制）。可见要使结构具有一定的屈服后变形能力是行得通的。

3.考虑发挥结构的潜在抗震塑性变形能力，是第二种结构抗震设计思路的根基。这就是二十世纪80年代到90年代中期发展起来的地震力设计法。同时，如何确保结构构件屈服后能够达到预期的延性性能、不发生类似剪切的脆性破坏且不丧失承载力；如何使结构达到理想的破坏机制，使设计者能了解在结构遭遇超过设计地震作用时的结构性能；是随着地震力设计法发展应用而来的重要研究课题。

二、 设计地震力取值

1.为什么可以取较低的设计地震力而使结构在超越设计地震作用时进入塑性态？

不同设计地震力取值水准下的模型化P-Δ关系图

如上图所示，当结构按未折减的设防烈度水准地震力Pe设计时，为OA线。按降低值0.5Pe，0.3Pe，0.2Pe，设计时，对应的曲线如图。按这些地震力与其它荷载效应组合后最不利内力的结果进行截面设计，结构在遭遇到相应降低的地震力时进入屈服后变形状态。不同的设计地震力取值对应不同的屈服后变形，地震力降低系数取值越低，非弹性位移越大即要求结构具有更大的延性能力。图中C，G，L对应结构遭遇设防烈度地震时的非弹性变形。D，H，M对应大震下变形。

可以看出，降低设计地震力的取值是以牺牲结构的屈服为代价的。但如前面所述，钢筋混凝土结构在满足一些条件时具有良好的屈服后变形能力，且基本不丧失水平和竖向承载力。即结构具有良好的延性。但前提是选择良好的延性构件和部位，并保证在达到预期最大非弹性变形前不发生无延性的脆性破坏等。另外还要选择良好的破坏机制，以利于耗散地震能量并且不引起结构倒塌。

2. 用设计峰值反应加速与设防烈度地震峰值反应加速度关系度表示地震力的降低：

ard=arm/R

R为地震力降低系数，各国规范取值是不同的。分别对应：较高地震力-低延性；低地震力-高延性两种情况。中国抗震规范利用众值烈度对应地震力为设计地震力。与设防烈度差一度半。相当于R=3.0属于低地震力-高延性的情况，7、8、9 度区不同，同一烈度各结构取相同的降低系数。其设计思路是：

（1）结构遭遇众值烈度地震时，结构处在弹性阶段，结构和构件不会出现需修复的损伤。但刚度有一定的折减。

（2）结构遭遇设防烈度地震时，受力充分部位进入屈服后变形状态。要求结构是可修复的。

（3）结构遭遇罕遇地震时，允许不可修复的损伤，但要求抗侧力和承担竖向力能力没有较大损失，结构不能倒塌。

3.设计时，按“三水准、两阶段”计算和满足构造措施，即：小震时进行构件承载力验算和层间变形验算，大震时弹塑性变形验算。按降低地震力设计时，承载力实际起设定屈服水准作用，能否达到设防目标的要求，取决于它产生塑性变形部位是否具有预期的延性性能。

三、关于结构塑性变形破坏机制

结构进入塑性变形后有哪些破坏机制？

如图1、图2所示，框架结构塑性变形后破坏机制主要分为梁铰机构和柱铰机构。这两种结构铰破坏机构在极限状态时存在非常大的性能差异。主要表现如下：

⑴当两者结构顶点位移相同时，梁铰机构非弹性转角要小于后者。达到相同侧移时，柱铰机构通常由于局部某层转角过大而结构失效；

⑵极限状态时，梁铰机构塑性铰数量多，在所有的梁端和底层柱端可能出现，从耗能能力方面分析，梁铰机构变形过程中耗能能力要明显的强于柱铰机构；

⑶由地震力对构件的影响分析可知，梁铰机构的滞回环稳定，刚度退化较小，而柱铰机构滞回环不稳定，受轴压比影响大；

⑷由非线形动力反应分析可知柱铰机构对地震波输入敏感。而由于实际地震的不确定性，柱铰机构在地震中的破坏机率更大。

由上述分析可看出，要保证结构达到理想的铰机构就得使柱铰迟于梁铰出现，同时柱铰要保证足够延性性能。同时还要保证在达到预期变形前结构不能发生脆性破坏。这就要按照“承载能力级差设计法”进行结构设计和构造措施安排。

四、承载能力级差设计法

承载能力级差设计法是由新西兰T.Paulay和R.Park 二十世纪70年代后期提出的重要的抗震设计方法，它是实现上述第二种结构抗震设计途径的重要方法。它如何保证结构达到理想的梁柱铰混合机制？

1.抗弯能力级差系数

为了引导结构进入屈服后，在梁端出现具有良好延性和耗能能力的塑性铰，在柱端推迟出现或不出现塑性铰即不形成柱铰机构，设计时需要人为的通过“抗弯能力级差系数”提高框架柱端的抵抗弯矩，即中国抗震规范规定的“强柱弱梁”措施。

同时级差系数设定需考虑到下列因素：

（1)结构进入屈服之前，构件就有非弹性性质。梁比柱刚度降低更多，减小柱弯矩增大效果；

(2)梁端出铰后，由于出铰顺序不同，先出铰的部位刚度降低多，导致柱端弯矩重新分配；

(3)梁端陆续出铰使各层侧向刚度变化，总体刚度下降，导致总地震力变化和各层分配地震力变化，使柱端弯矩增大；

(4)地震力计算时，振型与层刚度变化不协调也会导致柱端弯矩增大

(5)梁端塑性区纵筋强度的离散性使实际的梁端抗弯承载能力提高；

(6)人工的超配筋，如最小配筋率的控制，布筋的方便需要，钢筋的归并等使实际的梁端抗弯承载能力提高；

(7)梁端塑性铰区的纵筋屈服后随转动增大进入强化阶段，使实际的梁端抗弯承载能力提高；

因此需采用合理的级差系数来保证结构构件在极限状态下按设计出铰，并最后达到预期的破坏机构。

2.防剪切破坏级差系数

2.1剪切破坏的主要类型中：斜压破坏是由于混凝土斜向压溃引发的；斜拉破坏是由于混凝土斜向拉裂和箍筋拉断引发的；剪压破坏发生时虽然箍筋已经屈服，但其屈服后的变形能力很小。因此，所有类型的剪切破坏都是非延性的。

2.2为了防止剪切破坏的发生，能力设计法的主要措施是：对多遇地震下的设计组合内力乘以放大系数来加大设计剪力，使其不低于罕遇地震下构件可能面临的最大剪力。并采用考虑了构件在罕遇地震作用下，受损后状态的抗剪承载力计算公式来对构件进行设计。这样可以有效的防止非延性的剪切型破坏的发生。

2.3防止某些部位特别是塑性区发生脆性破坏即剪切破坏，（象梁端，柱端及节点核心区）使结构或构件达不到预期延性而破坏，从而使结构在未达到设计破坏机构前破坏。这就要在设计时通过“防剪切破坏级差系数”把抵抗剪力提高。由于在反复荷载作用下，塑性区混凝土刚度下降严重、耗能差，一旦发生剪切破坏对结构是致命的。因此，必须防止结构构件在达到预期的变形前发生剪切破坏。

3.保证结构延性所采取的必要构造措施

3.1对于受弯和弯剪构件(框架梁)来说为保证其延性所采取的主要措施：

(1)控制截面的受压区高度

(2）控制最小配箍率

（3）控制最大箍筋间距

3.2对于压弯构件(框架柱)来说采取的主要措施为：

（1）控制截面的轴压比

（2）控制最小配箍率

（3）控制最大箍筋间距

结束语：

通过以上分析可以发现，在结构设计时适度降低设计地震作用的取值，按众值烈度即小震对应的地震作用进行结构的承载力弹性设计；当结构遭遇设防烈度地震（中震）或罕遇地震（大震）时，通过利用结构的屈服后承载能力来耗散地震能量。同时通过承载能力级差设计法和必要的构造措施，可以保证结构在结构极限状态下形成理想的梁铰破坏机构。因此，这是一种经济有效的抗震设计方法。