談提高建筑結構延性措施

張文魁

延性是指構件和結構屈服后，具有承載能力不降低或基本不降低，且具有足夠塑性變形能力的一種性能。如結構(或構件，甚至材料)超越彈性極限后直至破壞所能產生的變形量大，即稱它的延性好。如超越彈性極限后隨即破壞，則表示其延性性能極差，就稱它為脆性。延性通常包括截面延性、構件延性和結構延性三個層次。非抗震結構設計時，要求結構在規定荷載作用下處于或基本處于彈性工作階段(即結構設計要有足夠的強度，保證安全，又要有足夠的剛度，保證變形在允許的范圍內)。而抗震設計時，由于地震本身隨機性很強，某地區在設計基準期內可能出現的最大地震強度無法事先預知，相對于其他荷載地震影響次數少，作用時間短，強度差異大，若要求各種地震強度下結構都處于彈性工作階段是很不經濟的，也是不可能的。這是抗震設計的基本思想。根據這一基本思想，GB 50011-2010建筑抗震設計規范(以下簡稱《抗規》)規定了“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設防目標。建筑結構延性是實現“中震可修、大震不倒”的重要手段。

為了增強結構在遭遇中震破壞較小可修和大震時不致倒塌或發生危及生命的嚴重破壞的能力，結構應具有較高的延性。通過耗能使結構振動迅速衰減是提高結構抗震性能的重要問題。對結構延性的要求具體體現在對構件延性的要求上。特別是要提高結構中關鍵構件和構件中的關鍵部位的延性。關鍵構件是指薄弱層的豎向構件、房屋周邊轉角處的構件、作為耗能元件的構件(如聯肢剪力墻中的連梁)等，關鍵部位是指框架梁柱的兩端、剪力墻的底部加強部位等。

一般采用下列措施來提高延性:

1)限制豎向構件的軸壓比。豎向構件的延性對防止結構的倒塌至關重要。軸壓比是影響鋼筋混凝土豎向構件延性的主要因素之一。試驗研究表明，鋼筋混凝土柱和剪力墻的變形能力隨著軸壓比的增加而明顯降低。《抗規》對抗震等級為一級、二級、三級的框架柱和抗震等級為一級、二級的剪力墻底部加強部位的軸壓比進行了限制。框架柱的初始截面尺寸常常根據軸壓比的限值進行估算。

2)限制梁受壓區高度。對于鋼筋混凝土框架梁，在其受壓區配置一定數量的縱向鋼筋可減小梁截面的受壓區高度，增強梁端的轉動能力，從而提高框架梁的延性。

試驗研究表明，當梁截面的受壓區相對高度在0.2～0.35時，梁的曲率延性系數可達4左右。

3)控制構件的破壞形態。調整增大剪力設計值，避免剪切破壞先于彎曲破壞。構件的破壞機理和破壞形態很大程度上決定了其變形能力和耗能能力。彎曲破壞屬于延性破壞，而剪切破壞屬于脆性破壞，發生彎曲破壞的構件的延性遠遠高于發生剪切破壞的構件。因此控制構件的破壞形態，可以從根本上控制構件的延性。目前，在鋼筋混凝土抗震構件的設計中采用“強剪弱彎”的原則，即采用增大剪力設計值和增加抗剪箍筋的方法來提高構件的受剪承載力，并且通過控制截面上的剪應力(剪壓比)，來避免過早發生剪切破壞。

4)加強箍筋，避免混凝土的壓潰先于縱筋的壓屈。在梁端塑性鉸區(約為梁高的1.5倍～2.0倍)配置加密的封閉箍筋(間距小于縱筋直徑的6倍～8倍)可以提高該范圍內混凝土的極限壓應變，并可防止塑性鉸區內的受壓縱筋被過早壓屈，還可防止發生剪切破壞，從而保證梁有較大的延性。實際震害表明，鋼筋混凝土框架柱，在地震反復作用下，柱端的保護層往往首先剝落，若無足夠的箍筋約束，縱筋就會向外脹出。箍筋對柱核心區混凝土也具有較強的約束作用，提高配箍率可以顯著提高混凝土的極限壓應變，從而提高柱的延性。此外，柱箍筋的形式對其變形能力也有較大的影響，根據日本的實驗報告，在柱截面、縱筋、配箍率、箍筋間距、箍筋肢距、混凝土強度等級和軸壓比均相同的情況下，采用連續復合螺旋箍的柱比采用一般復合箍筋的柱，極限變形提高25%。采用螺旋箍、復合螺旋箍也可顯著提高柱的極限變形能力。

5)設置墻端邊緣構件。對于鋼筋混凝土剪力墻，在墻兩端部設置邊緣構件(暗柱、明柱、翼柱)，將墻體豎向鋼筋的大部分配置于兩端邊緣構件內，能提高剪力墻的受彎承載力，在邊緣構件內配置足夠數量的橫向箍筋，可以防止裂縫貫穿墻面，使剪力墻的變形能力有較大的提高。另外，剪力墻的塑性鉸一般出現在底部，加強剪力墻底部的構造能保證剪力墻底部的延性。

6)加強鋼筋錨固，避免鋼筋的錨固粘結破壞先于構件破壞。在較強的地震作用過程中，梁、柱端截面和剪力墻肢底部截面中的縱向受力鋼筋可能處于交替拉、壓的狀態。根據實驗結果，這時鋼筋與其周圍混凝土的粘結性能將比單調受拉時不利。因此，根據不同的抗震等級給出了增大鋼筋受拉錨固長度的規定。受拉鋼筋搭接長度也相應增大，以保證足夠的延性。

7)加強節點，避免節點破壞先于構件破壞。

8)對預埋件應避免錨固破壞先于連接件破壞。

9)對預應力混凝土抗側力構件，預應力筋宜在節點核心區以外錨固，并應配置足夠多的非預應力鋼筋。

10)對鋼結構應合理控制尺寸，避免局部失穩或整體失穩。

11)重視材料選擇，混凝土強度不宜過低也不宜過高;縱筋宜選用HRB400級和HRB335級熱軋鋼筋;箍筋宜選用HRB335，HRB400和HPB235級熱軋鋼筋;鋼材宜選用Q235等級C，D的碳素結構鋼及Q345等級C，D，E的低合金結構鋼，對焊接結構，當鋼板厚度不小于40 mm且承受沿板厚方向的拉力時，板厚方向截面收縮率尚不應低于Z15級。

12)鋼纖維混凝土的應用。鋼纖維混凝土是在普通混凝土中摻入少量(體摻率1%～2%)亂向鋼纖維形成的一種復合材料。鋼纖維混凝土具有較高的抗拉、抗裂和抗剪強度，良好的抗沖擊韌性和抗地震延性。所使用的鋼纖維有圓直鋼纖維、剪切鋼纖維、熔抽鋼纖維和末端帶彎鉤的鋼纖維，橫截面有圓形、矩形和月牙形，規格有0.55 mm×41 mm和0.3 mm×0.6 mm×32 mm等多種，當量長徑比為50～75。影響鋼纖維混凝土性能的主要因素是鋼纖維的直徑、長徑比和外形。

13)型鋼混凝土的應用。型鋼混凝土(SRC)結構是把型鋼(S)置入鋼筋混凝土(RC)中，使型鋼、鋼筋(縱筋和箍筋)、混凝土3種材料元件協同工作以抵抗各種外部作用效應的一種結構。它是鋼—混凝土組合結構的一種形式，其截面組成特征是型鋼鋼筋混凝土的鋼材全部被包在混凝土內部，型鋼與鋼筋骨架的外面有一層混凝土外殼。同傳統的鋼結構相比，這種結構有更大的強度和剛度，更好的局部和整體穩定性，防腐性和防火性能好，節約鋼材。同鋼筋混凝土結構相比，這種結構承載能力大、剛度大、抗震性能好，尤其在大跨、超高層、重載的建筑結構中，較單獨采用鋼筋混凝土結構有更好的適用性，可以減小構件截面，增大使用空間。

[1]GB 50011-2010，建筑抗震設計規范[S].

[2]豐定國.工程結構抗震[M].北京:地震出版社，2009.

[3]JGJ 3-2002，高層建筑混凝土結構技術規程[S].

[4]陳富生.高層鋼結構設計[M].北京:中國建筑工業出版社，2010.

[5]李 靜，言 景，楊 虹.淺談結構的優化設計[J].山西建筑，2010，36(4):84-85.