鋼筋混凝土框架結構的延性設計

廖輝

“強柱弱梁”、“強剪弱彎”等是建筑結構設計中非常重要的概念。簡單地說，雖然整個結構體系是由各種構件協調組成一體，但各個構件擔任的角色不盡相同，按照其重要性也就有輕重之分。一旦不可意料的破壞力量突然襲來，各個構件協作抵抗的目的，就是為了保住最重要的構件免遭摧毀或者至少是最后才遭摧毀，在建筑結構中，柱倒了，梁會跟著倒；而梁倒了，柱還可以不倒的。可見柱承擔的責任比梁大，柱不能先倒。為了保證柱是在最后失效，我們故意把梁設計成相對薄弱的環節，使其破壞在先，以最大限度減少可能出現的損失。以下就鋼筋混凝土框架結構的主要構件來分別闡述延性設計的理念。

什么是混凝土框架強柱弱梁的概念設計？

由于梁截面高度較高，且與現澆樓板組成T形截面構件共同工作，形成強梁弱柱，導致柱子破壞，房屋倒塌。框架結構的彈塑性分析表明，強震作用下，梁端實際達到的彎矩與其正截面受彎承載力是相等的，柱端實際達到的彎矩也與其偏壓下的受彎承載力相等。這是地震作用效應的一個特點。因此，所謂“強柱弱梁”指的是：節點處梁端實際受彎承載力 和柱端實際受彎承載力 之間滿足下列不等式：

這種概念設計，由于地震的復雜性、樓板的影響和鋼筋屈服強度的超強，難以通過精確的計算真正實現。國外的抗震規范多以設計承載力來衡量或將鋼筋抗拉強度乘以超強系數來實現。《建筑抗震設計規范》的規定，只在一定程度上減緩柱端的屈服。一般采用適當增大柱端彎矩設計值的方法，其取值體現了抗震等級的差異。

具體的做法

第一，柱剪跨比限制 。剪跨比反映了構件截面承受的彎矩與剪力的相對大小。它是影響柱極限變形能力的主要因素之一，對構件的破壞形態有很重要的影響。 因此柱的剪跨比宜控制在2.0以上。

第二，梁、柱剪壓比限制 。當構件的截面尺寸太小或混凝土強度太低時，按抗剪承載力公式計算的箍筋數量會很多，則箍筋在充分發揮作用之前，構件將過早呈現脆性斜壓破壞，這時再增加箍筋用量已沒有意義。因此，設計中應限制剪壓比即梁、柱截面的平均剪應力，使箍筋數量不至于太多，同時，也可有效地防止斜裂縫過早出現，減輕混凝土碎裂程度。這實質上也是對構件最小截面尺寸的要求。

第三，柱軸壓比限制。試驗研究表明，軸壓比的大小，與柱的破壞形態和變形能力是密切相關的。隨著軸壓比不同，柱將產生兩種破壞形態：受拉鋼筋首先屈服的大偏心受壓破壞和破壞時受拉鋼筋并不屈服的小偏心受壓破壞。而且，軸壓比是影響柱的延性的重要因素之一，柱的變形能力隨軸壓比增大而急劇降低，軸壓比超過界限值將發生小偏壓脆性破壞。尤其在高軸壓比下，增加箍筋對改善柱變形能力的作用并不明顯。所以，抗震設計中應限制柱的軸壓比不能太大，其實質就是希望框架柱在地震作用下，仍能實現大偏心受壓下的彎曲破壞，使柱具有延性性質。因此《建筑抗震設計規范》規定，對于框架柱相應于一、二、三、四級抗震時，軸壓比限值分別為0.65、0.75、0.85、0.9。

第四，鋼筋設置。試驗表明：鋼筋混凝土單筋梁的延性，隨截面混凝土受壓區相對高度的減小而增大，而混凝土受壓區相對高度隨著配筋率的增大、鋼筋屈服強度的提高和混凝土強度等級的降低而增大，延性性能降低。為此，《建筑抗震設計規范》對一、二、三、四級抗震等級框架梁的混凝土受壓區相對高度和配筋率作出了規定。一般截面受壓區高度χ=0.35~0.20ho時，位移延性系數相應為3～4。所以規范規定，一級抗震等級時，χ≤0.25ho，二、三級抗震等級時，χ≤0.35h0，并且要求受壓鋼筋與受拉鋼筋之比控制在一定范圍內，即A' s≥0.5As（一級抗震），A' s≥0.3As（二、三級抗震）。為防止過多的縱向受拉鋼筋在地震中使梁產生粘結劈裂破壞，規范還規定梁端縱向受拉鋼筋的配筋率ρs≤2.5%。在地震作用下，梁的反彎點變化很難準確預計，所以應有足夠數量的鋼筋貫通梁的上、下部。同時，將梁的最小配筋率比非地震作用時的規定予以提高。為防止地震作用下柱子少筋脆性破壞和超筋粘結劈裂破壞，柱的縱向受力鋼筋總配筋率不得少于1.0%、0.8%、0.7%、0.6%、（相應于一、二、三、四級抗震等級），角柱的上述限值相應提高0.1%；柱的縱向配筋率最大間距不宜超過200 mm。另外，震害表明，梁端、柱端震害嚴重，是框架梁、柱的薄弱部位。當框架柱斷面相對較大，在梁端箍筋加密，形成彎曲破壞的塑性鉸破壞機制，可保護柱子的安全。樓板形成框架柱的上下嵌固端，所以按照強剪弱彎原則設計的箍筋主要配置在梁端、柱端塑性鉸區，稱為箍筋加密區。柱端箍筋加密，形成彎曲破壞的塑性鉸，避免脆性破壞的倒塌。在塑性鉸區配置足夠的箍筋，可約束核心混凝土，顯著提高塑性鉸區混凝土的極限應變值，提高抗壓強度，防止斜裂縫的開展，從而可充分發揮塑性鉸的變形和耗能能力，提高柱的延性。

第五，短柱、短梁的震害。短柱的變形特征為剪切型、脆性破壞。震害表明，磚填充墻對框架柱的約束，如：框架柱間砌筑不到頂的隔墻、窗間墻以及樓梯間休息平臺使框架柱變成短柱。因填充墻約束形成短梁，同樣會剪切破壞。所以短柱造成的強梁弱柱應當避免，當短柱的兩側增加翼墻，破壞有所改善。箍筋加密、箍筋135度角彎鉤、鋼筋錨固長度等抗震構造措施十分重要。

第六，框架填充墻。填充墻與主體框架的連接應當加強，如框架柱每隔500mm設置拉結筋的間距可以再加密一些，以避免圍護結構出平面傾覆的發生。填充墻一方面提高結構剛度、降低結構自振周期，增加抗震能力；另一方面填充墻可以有效耗散地震能量，所以合理的填充墻布置對提高結構的延性是有幫助的。

第七，加強建筑結構抗震概念設計。受力合理，傳力途徑直接。結構的計算分析能符合房屋結構在地震中的實際表現，是結構選型和布置首先要考慮的因素之一；避免破壞的連鎖反應。當一部分結構或構件在地震中破壞時，不能導致整個體系喪失抗震能力。為此，設置多道防線是較好的辦法，即在一個體系中，由若干個分體系組成或具有盡可能多的內部、外部贅余度。如框-剪結構、剪力墻結構中連梁；具有必要的強度和變形能力；控制抗震薄弱部位；防止建筑構件（隔墻、填充墻、幕墻、女兒墻、雨篷、陽臺、飄窗、天棚、附墻煙囪、高大櫥柜等）和建筑附屬機電設備（重型懸掛燈具、水箱、冷卻塔、高大天線、較大的穿墻管道洞口等）不合理布置對主體結構的不良影響。

綜上所述，我們在今后的抗震設計工作中，應該嚴格執行工程建設標準，精心設計，一定要使我們設計的房屋成為安全的結構。對此，我們任重而道遠。

（作者供職于鐵嶺縣建筑設計院）