试论延性钢筋混凝土结构的设计要点与其意义

摘  要：从结构延性的设计概念、具体措施等方面谈结构延性设计和其作用。关键词：结构延性；作用

中图分类号： TU37文献标识码： A

随着我国国民生产能力的逐年增强，经济水平不断提升，以及“以人为本”的和谐社会的理念的不断深入人心，人们对住房的产品品质的要求不断提升。尤其是住房的安全性提出了更高的要求。加之近年来全球进入地质活动的多发期，世界各地的地质灾害频发，我国也在08年发生了汶川特大地震，使得目前我国的建筑结构的延性设计进入了前所未有的发展高峰，在这里，就我个人的设计经验简单谈一下关于延性设计的具体思路。

延性设计应着重从三个大方面来进行控制：

第一个是“塑性铰”的实现。即是我们通常所说的“强柱弱梁”，选定合适的塑性变形体系，就可以精确地确定变形时能量耗散部位。 “塑性铰”的具体措施是指在现对于梁而言人为的增加柱的抗弯能力，在外力下，框架中塑性铰要出现在梁上，不允许出现在柱上或梁的跨中，梁的跨中出现塑性铰将导致局部破坏。在梁端的塑性铰必须具有延性，才能使结构在形成机构之前，可以抵抗外荷载并具有延性。    在框架结构中，塑性铰出现的位置或顺序不同，将使框架结构产生不同的破坏形式。柱中出现塑性铰，不易修复而且容易引起结构倒塌；而塑性铰出现在梁端，却可以使结构在破坏前有较大的变形，吸收和耗散较多的地震能量，因而具有较好的抗震性能。调查发现，地震破坏都发生在柱中，破坏较严重；此外，梁的延性远大于柱的延性。这是因为柱是压弯构件，较大的轴压比将使柱的延性下降，而梁是受弯构件，比较容易实现高延性比要求。 因此，较合理的框架破坏机制应是梁比柱的塑性屈服尽可能早发生和多发生，底层柱柱根的塑性铰较晚形成，各层柱子的屈服顺序应错开，不要集中在某一层。这种破坏机制的框架，就是强柱弱梁型框架。为了实现强柱弱梁的具体措施是对柱截面的组合弯矩乘以增大系数；也可以对由梁端实际配筋反算出梁端可抵抗弯矩，即实配弯矩乘以增大系数的方法来实现，并用增大后的弯矩值进行柱端控制截面的承载力设计。第二方面是避免脆性破坏，引导延性破坏。这一阶段是指在地一方面“塑性铰”所吸收的能量无法满足实际要求的时候—即构件发生破坏的时候，通过延性设计，引导其破坏方式。

要通过人为增大各类构件的抗剪能力，使其不致在强烈地震作用下，在结构延性未发挥出来之前出现非延性的剪切破坏。这即是通常所说的“强剪弱弯”。通常的做法是用剪力增大系数增大梁端、柱端、剪力墙端、剪力墙洞口连梁端以及梁柱节点处的组合剪力值，并用增大后的剪力设计值进行受剪控制截面控制条件，进行验算和设计。具体措施也有两种。一种是直接对一跨梁两端截面的顺时针或反时针方向的组合弯矩值乘以增大系数，再与梁上作用的竖向重力荷载代表值一起从平衡关系中求得梁端剪力。另一种是沿顺时针或反时针方向求得一跨梁两端截面按实际配筋能够抵抗的弯矩，对其乘以增大系数，再与梁上作用的竖向重力荷载代表值一起从平衡关系中求得梁端剪力。最后是通过相应的构造措施，保证可能出现塑性铰的部位具有所需的塑性转动能力和塑性耗能能力。一个是通过节点箍筋加密，即在塑性铰区配置足够的箍筋，可约束核心混凝土，显著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，从而可充分发挥塑性铰的变形和耗能能力，还有限制轴压比来保证，轴压比的大小，与柱的破坏形态和变形能力是密切相关的。随着轴压比不同，柱将产生两种破坏形态：受拉钢筋首先屈服的大偏心受压破坏和破坏时受拉钢筋并不屈服的小偏心受压破坏。而且，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，增加箍筋对改善柱变形能力的作用并不明显。所以，抗震设计中应限制柱的轴压比不能太大，其实质就是希望框架柱在地震作用下，仍能实现大偏心受压下的弯曲破坏，使柱具有延性性质。再就是通过梁、柱剪压比限制 。当构件的截面尺寸太小或混凝土强度太低时，按抗剪承载力公式计算的箍筋数量会很多，则箍筋在充分发挥作用之前，构件将过早呈现脆性斜压破坏，这时再增加箍筋用量已没有意义。因此，设计中应限制剪压比即梁截面的平均剪应力，使箍筋数量不至于太多，同时，也可有效地防止斜裂缝过早出现，减轻混凝土碎裂程度。这实质上也是对构件最小截面尺寸的要求。以上三个方面所采取的措施有一定相互关系。第二方面是第一方面措施实现的前提；因为只有塑性铰不致先期发生剪切失效，才能够有梁柱塑性铰的塑性转动。其中相互关系应在实际设计中灵活掌握。因为如果柱弯矩增强系数很大，大到能保证除底层以外的其它柱端都不出现塑性铰，则并不需要对轴压比和约束箍筋提出严格的限制，即并不需要使柱处于延性较好的大偏压状态和使柱具有很强的转动能力。这即是形成梁铰机构。而如果控制柱的弯矩增强系数，使梁端出铰柱端出铰较早、较多、转动较大，柱端出铰则相对较小。此时，就需要对柱轴压比提出一定的限制，使柱端的受力状态处于大偏压，同时，加强对塑性铰区箍筋的约束，以提高塑性铰的转动能力，这样就提高了柱端的延性能力，使之在所需要的塑性转动下不至于被压坏。所以，柱的弯矩增大系数越大，对轴压比的限制和箍筋的约束要求就越低；弯矩增大系数越小，对轴压比的限制和箍筋的约束要求就越高。

下面对结构延性设计的作用和意义进行简单阐述 .

第一、防止脆性破坏

由于钢筋混凝土结构或构件的脆性破坏是突发性的，没有预兆，所以为了保障人们生命财产安全，除了对构件发生脆性破坏时的可靠指标有较高要求以外，还要保证结构或构件在破坏前有足够的变形能力。

第二、用于承受偶然因素的作用

结构在使用过程中可能会承受设计中未考虑到的偶然因素的作用，比如说，偶然的超载、基础的不均匀沉降、温度变化和收缩作用引起的体积变化等。这些偶然因素会在结构中产生内力和变形，而延性结构的变形能力，则可作为发生意外情况时内力和变形的安全储备。

第三、节约材料，方便施工

延性结构容许构件的某些临界截面有一定的转动能力，形成塑性铰区域，产生内力重分布，从而使钢筋混凝土超静定结构能够按塑性方法进行设计，得到有利的弯矩分布，使配筋合理，节约材料，而且便于施工。

第四、主要是用于结构抗震设计

为了实现我国抗震设计的基本原则，即小震时，确保所有的结构构件在抵抗地震作用力时，具有足够的强度，使其基本上处于弹性状态。并通过验算小震作用下的弹性位移共同来保证结构不坏。处于这个阶段的结构构件不会发生明显的非线性变形，也不必需要采取特殊的构造措施。中震时，结构仍能维持其初始强度的能力，它能够承担塑性变形，使它在变形中能够耗费和吸收地震能量，但可能导致较宽的裂缝，砼表皮起壳、脱落，可能有一定的残余变形，但不至于导致安全失效，以达到中震可修的设防目标。大震时，结构的非线性变形非常大，也可能发生不可修复的破坏。处于这个阶段的结构就需要通过计算它的弹塑性变形来保证结构不致倒塌。所以，通常只需要按小震作用效应和其它荷载效应的基本组合，验算构件截面抗震承载力及结构的弹性变形；而中震作用效应则需要结构靠一定的塑性变形能力（即延性）来抵抗。对于大震来讲，则是通过整个结构体系的协调变形，最大限度的消耗地震能量，保证柱不弯、梁不断、板不塌，最终实现大震不倒。

综上所述，延性设计最总目的是为了使人民得生命财产得到保障，最总体现以人为本的社会理念。

参考文献《建筑结构设计问答与分析》-朱炳寅