论延性钢筋混凝土结构设计要点

刘越

（辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁 沈阳 110000）

建筑物的抗震能力和安全性，不仅取决于构件的承载力，还在很大程度上取决于其变形性能和动力响应，取决于结构吸收和耗散能量的多少，也就是说，结构的抗震能力是由承载力和变形两者共同决定的。承载力较低但具有很大延性的结构，所吸收的能量多，虽然较早出现损坏，但能经受住较大变形，避免倒塌。而仅有较高强度，却无塑性变形能力的脆性结构，吸收的能量少，一旦遇到超过设计水平的地震作用时，很容易因为脆性破坏而突然倒塌。因此，地震区的建筑物应优先考虑设计成抗震性能好的延性结构[1]。

1 钢筋混凝土框架结构的延性性能

1.1 延性的概念

所谓延性，是指结构构件或截面受力超过弹性阶段后，在承载力无明显变化的情况下的后期变形能力，也就是最终破坏之前经受非弹性变形能力[2]。换句话说，延性实质上是材料、截面、构件或结构保持一定的强度或承载力的非弹性（塑性）变形的能力。

1.2 延性大小的衡量[3]

延性的大小用延性系数来度量：

式中：δ——构件的应变、截面的曲率、构件和结构的转角或位移；δu，δy——分别为屈服值和极限值。

1.2.1 材料延性

材料延性是指材料的塑性变形能力，可用材料的本构关系特征参数来定义：

式中：εU——材料的屈服应变；εY——材料强度没有显著降低时的极限应变。

1.2.2 截面曲率延性

以弯曲变形为主的构件进入屈服阶段后，塑性铰的转动能力与单位长度上苏醒转动能力，即转动能力的曲率延性直接相关。曲率延性系数的计算式为：

式中：φu，φy——分别为截面屈服曲率和极限曲率。

1.2.3 构件的位移延性

构件的位移延性系数为：

式中：δu，δy——分别为屈服位移和极限位移。

1.2.4 结构位移延性

结构位移延性用顶点位移延性或层间位移延性系数来度量，即：

结构的位移延性系数几乎不可能用手算得到，目前的计算手段是对整体结构进行静力弹塑性分析，由得到的结构基底剪力——顶点位移关系曲率和层间剪力——层间位移关系曲线计算结构的位移延性系数。

1.3 钢筋混凝土结构延性性能的研究

在抗震设防地区都应当将钢筋混凝土框架结构设计成延性结构。这种结构经过中等烈度的地震作用后，加以修复仍可重新使用，在强地震下不至于倒塌，从而保证人们的生命安全。结构延性在建筑抗震中有以下作用：

1）防止结构发生脆性破坏。

2）承受非地震作用的偶然荷载。

3）实现塑性内力重分布[4]。

2 影响延性的因素

2.1 材料强度

混凝土强度直接影响结构抗剪承载力，特别是节点核心区因混凝土强度不足而开裂后破坏，提高混凝土强度等级则可以提高节点核心区的承载力。不过对于承受一定荷载的框架，混凝土强度过高，则梁、柱的截面尺寸就会减小，混凝土的抗剪截面也相应减小，在一定配箍率下，其抗剪承载力会有所下降，对其抗震性能反而不利[5]。且如果采用高强度混凝土，于目前有些施工单位的施工水平受限，事实上很难达到所设计的强度等级[6]。

钢筋的变形直接影响结构的延性，为使结构在产生塑性铰时有良好的变形能力来吸收或消耗能量，应该使用延展性较好的钢筋[5]。

2.2 轴压比

柱的轴压比是影响框架结构延性的重要因素。柱的延性岁轴压比增大而减小，轴压比超过界限值将发生小偏压脆性破坏。在抗震设计中应该控制柱的轴压比不超过限值，使其发生大偏压破坏并有较高的延性。规范规定，对于框剪相应于一、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是指柱轴压比设计值与柱轴压比承载力设计值的比值[7]。

2.3 箍筋的构造要求

沿梁的纵向配置封闭的箍筋，不但能防止脆性的剪切破坏，而且可以对受压区混凝土起约束作用。收到约束的混凝土，其极限压应变（εu）能提高。箍筋布置得越密，直径越粗，其约束作用越大，对构件的延性的提高也越大。特别是超筋情况，箍筋对延性的影响就更显著[2,9]。

2.4 纵向钢筋的配筋率和钢筋的屈服强度

随着纵筋率和钢筋的屈服强度的提高，混凝土相对受压区高度增大，截面延性降低。但混凝土受压区配置受压钢筋，可以减少相对受压区高度，改善构件的延性。因此应该限制纵向受拉钢筋的配筋率和高强钢筋的使用，以保证结构有足够的延性[8]。

2.5 剪跨比λ

剪跨比反映了构件截面承受的弯矩与剪力的相对大小。是影响梁、柱极限变形能力的主要因素之一，对构件的破坏形态有很重要的影响[10]。根据剪跨比可以将柱分为长柱（λ≥2）、短柱（1.5≤λ≤2）、极短柱（λ≤1.5）。大量试验表明：长柱时，单调荷载特别是低周反复荷载作用下一般发生延性较好的弯曲破怀，而短柱则一般发生延性较差的斜截面收件破坏，脆性破坏较矩形显著[5]。

3 钢筋混凝土结构框架结构抗震延性设计

3.1 明确钢筋混凝土框架结构的抗震等级

影响地震作用及结构侧移大小的因素：

1）建筑场地类别，当建筑场地越软时，地震作用越大，建筑物的侧移越大。

2）地震烈度越高时，地震作用越大，建筑物侧移越大。

3）建筑物高度越高时，地震作用越大，建筑物侧移越大。

为使抗震设计真正达到安全经济的目的，规范根据上述因素将框架结构分为不同的抗震等级，见表1。

3.2 延性结构的设计原则

结构延性设计要遵循一定的原则，平面布局要有规则性，竖向刚度的连续性，并以“强柱弱梁”，“强剪弱弯”强节点，弱锚固的延性框架进行设计，并辅以必要的构造措施来保证结构局部薄弱区域的强度和刚度，以加强结构整体性，增大延性，提高变形能力，体现大震不倒的思想[11]。

表1 丙类（Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ）现浇框架抗震等级

3.2.1 强柱弱梁

框架结构的延性与塑性铰分布的部位有关，若梁中先出现塑性铰形成梁铰结构，则塑性铰分布较均匀，每个塑性铰所要求的弹性变形量也比较小，而且两端结构的延性要求也比较容易实现。而若柱中出现塑性铰而形成柱铰结构，非弹性变形就集中在某一层的柱中，对柱的延性提出极高的要求，二者往往很难实现，且柱铰机构伴随较大的层间位移，这不仅引起不稳定问题，还会引起结构承受竖向荷载，导致整个结构的倒塌。在经受较大侧向位移时，未能确保框架结构的稳定性，并能维持它承受竖向荷载的能力,必须要求非弹性变形一般只限于梁内,即要求在设计荷载下统一节点上柱段截面积限弯矩的综合大于梁端极限弯矩总和。这就是所谓的强柱弱梁,既保证框架柱具有足够的抗弯承载能力储备,大大减少柱段屈服的可能性

3.2.2 强剪弱弯

框架结构的延性与均件的破坏形态有关,框架的抗震设计应遵循强剪弱弯的设计原则,以减少在非弹性变形时发生剪切破坏的可能性。框架结构的强剪弱弯设计原则，主要是有设计剪力的计算、抗剪承载力计算公式的选取以及必要的构造措施来实现。实际建立的计算与抗弯承载力的计算相类似,按抗震等级不同采用地震效应调整系数,但较抗弯承载力计算更严格,以相对提高抗弯承载力。同时为减少框架梁柱在非弹性反应趋于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,抗剪计算公式的选取主要表现为考虑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弯承载力计算公式,并辅以抗震构造措施。

3.2.3 强节点，强锚固

为保证框架结构的延性,在梁铰机构充分发挥作用以前,框架节点,纵筋锚固不应过早破坏,框架节点破坏主要是因为节电出核心区箍筋数量不足,在建立和压力的共同作用下,节点核心区混凝土出现斜裂缝,箍筋屈服至拉断,柱的纵筋被压屈以至拉断而引起的。故规范通过保证核心区混凝土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,利用钢筋锚固段的机械锚固措施来实现的。对于塑性铰区混凝土与箍筋剪力变化的关系。

4 意义

延性好的结构，塑性变形能力大，强度或承载能力降低缓慢，从而有足够大的能力吸收和耗散地震能量，结构破坏过程比较长，破坏前有明显征兆。能及早采取措施，避免发生伤亡事故及建筑物的全面崩溃。延性差的结构，达到最大承载力后承载力迅速降低，变形能力小，破坏时会突然发生脆性破坏，破坏后果较为严重，引起结构倒塌。加强钢筋混凝土延性设计，就是要做到“小震不坏，中震可修，大震不倒”。