論延性鋼筋混凝土結構設計要點

劉越

（遼寧省水利水電勘測設計研究院，遼寧 沈陽 110000）

建筑物的抗震能力和安全性，不僅取決于構件的承載力，還在很大程度上取決于其變形性能和動力響應，取決于結構吸收和耗散能量的多少，也就是說，結構的抗震能力是由承載力和變形兩者共同決定的。承載力較低但具有很大延性的結構，所吸收的能量多，雖然較早出現損壞，但能經受住較大變形，避免倒塌。而僅有較高強度，卻無塑性變形能力的脆性結構，吸收的能量少，一旦遇到超過設計水平的地震作用時，很容易因為脆性破壞而突然倒塌。因此，地震區的建筑物應優先考慮設計成抗震性能好的延性結構[1]。

1 鋼筋混凝土框架結構的延性性能

1.1 延性的概念

所謂延性，是指結構構件或截面受力超過彈性階段后，在承載力無明顯變化的情況下的后期變形能力，也就是最終破壞之前經受非彈性變形能力[2]。換句話說，延性實質上是材料、截面、構件或結構保持一定的強度或承載力的非彈性（塑性）變形的能力。

1.2 延性大小的衡量[3]

延性的大小用延性系數來度量：

式中：δ——構件的應變、截面的曲率、構件和結構的轉角或位移；δu，δy——分別為屈服值和極限值。

1.2.1 材料延性

材料延性是指材料的塑性變形能力，可用材料的本構關系特征參數來定義：

式中：εU——材料的屈服應變；εY——材料強度沒有顯著降低時的極限應變。

1.2.2 截面曲率延性

以彎曲變形為主的構件進入屈服階段后，塑性鉸的轉動能力與單位長度上蘇醒轉動能力，即轉動能力的曲率延性直接相關。曲率延性系數的計算式為：

式中：φu，φy——分別為截面屈服曲率和極限曲率。

1.2.3 構件的位移延性

構件的位移延性系數為：

式中：δu，δy——分別為屈服位移和極限位移。

1.2.4 結構位移延性

結構位移延性用頂點位移延性或層間位移延性系數來度量，即：

結構的位移延性系數幾乎不可能用手算得到，目前的計算手段是對整體結構進行靜力彈塑性分析，由得到的結構基底剪力——頂點位移關系曲率和層間剪力——層間位移關系曲線計算結構的位移延性系數。

1.3 鋼筋混凝土結構延性性能的研究

在抗震設防地區都應當將鋼筋混凝土框架結構設計成延性結構。這種結構經過中等烈度的地震作用后，加以修復仍可重新使用，在強地震下不至于倒塌，從而保證人們的生命安全。結構延性在建筑抗震中有以下作用：

1）防止結構發生脆性破壞。

2）承受非地震作用的偶然荷載。

3）實現塑性內力重分布[4]。

2 影響延性的因素

2.1 材料強度

混凝土強度直接影響結構抗剪承載力，特別是節點核心區因混凝土強度不足而開裂后破壞，提高混凝土強度等級則可以提高節點核心區的承載力。不過對于承受一定荷載的框架，混凝土強度過高，則梁、柱的截面尺寸就會減小，混凝土的抗剪截面也相應減小，在一定配箍率下，其抗剪承載力會有所下降，對其抗震性能反而不利[5]。且如果采用高強度混凝土，于目前有些施工單位的施工水平受限，事實上很難達到所設計的強度等級[6]。

鋼筋的變形直接影響結構的延性，為使結構在產生塑性鉸時有良好的變形能力來吸收或消耗能量，應該使用延展性較好的鋼筋[5]。

2.2 軸壓比

柱的軸壓比是影響框架結構延性的重要因素。柱的延性歲軸壓比增大而減小，軸壓比超過界限值將發生小偏壓脆性破壞。在抗震設計中應該控制柱的軸壓比不超過限值，使其發生大偏壓破壞并有較高的延性。規范規定，對于框剪相應于一、二、三級抗震時，軸壓比限值分別為 0.7，0.8，0.9。這里規定的軸壓比限值是指柱軸壓比設計值與柱軸壓比承載力設計值的比值[7]。

2.3 箍筋的構造要求

沿梁的縱向配置封閉的箍筋，不但能防止脆性的剪切破壞，而且可以對受壓區混凝土起約束作用。收到約束的混凝土，其極限壓應變（εu）能提高。箍筋布置得越密，直徑越粗，其約束作用越大，對構件的延性的提高也越大。特別是超筋情況，箍筋對延性的影響就更顯著[2,9]。

2.4 縱向鋼筋的配筋率和鋼筋的屈服強度

隨著縱筋率和鋼筋的屈服強度的提高，混凝土相對受壓區高度增大，截面延性降低。但混凝土受壓區配置受壓鋼筋，可以減少相對受壓區高度，改善構件的延性。因此應該限制縱向受拉鋼筋的配筋率和高強鋼筋的使用，以保證結構有足夠的延性[8]。

2.5 剪跨比λ

剪跨比反映了構件截面承受的彎矩與剪力的相對大小。是影響梁、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[10]。根據剪跨比可以將柱分為長柱（λ≥2）、短柱（1.5≤λ≤2）、極短柱（λ≤1.5）。大量試驗表明：長柱時，單調荷載特別是低周反復荷載作用下一般發生延性較好的彎曲破懷，而短柱則一般發生延性較差的斜截面收件破壞，脆性破壞較矩形顯著[5]。

3 鋼筋混凝土結構框架結構抗震延性設計

3.1 明確鋼筋混凝土框架結構的抗震等級

影響地震作用及結構側移大小的因素：

1）建筑場地類別，當建筑場地越軟時，地震作用越大，建筑物的側移越大。

2）地震烈度越高時，地震作用越大，建筑物側移越大。

3）建筑物高度越高時，地震作用越大，建筑物側移越大。

為使抗震設計真正達到安全經濟的目的，規范根據上述因素將框架結構分為不同的抗震等級，見表1。

3.2 延性結構的設計原則

結構延性設計要遵循一定的原則，平面布局要有規則性，豎向剛度的連續性，并以“強柱弱梁”，“強剪弱彎”強節點，弱錨固的延性框架進行設計，并輔以必要的構造措施來保證結構局部薄弱區域的強度和剛度，以加強結構整體性，增大延性，提高變形能力，體現大震不倒的思想[11]。

表1 丙類（Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ）現澆框架抗震等級

3.2.1 強柱弱梁

框架結構的延性與塑性鉸分布的部位有關，若梁中先出現塑性鉸形成梁鉸結構，則塑性鉸分布較均勻，每個塑性鉸所要求的彈性變形量也比較小，而且兩端結構的延性要求也比較容易實現。而若柱中出現塑性鉸而形成柱鉸結構，非彈性變形就集中在某一層的柱中，對柱的延性提出極高的要求，二者往往很難實現，且柱鉸機構伴隨較大的層間位移，這不僅引起不穩定問題，還會引起結構承受豎向荷載，導致整個結構的倒塌。在經受較大側向位移時，未能確保框架結構的穩定性，并能維持它承受豎向荷載的能力,必須要求非彈性變形一般只限于梁內,即要求在設計荷載下統一節點上柱段截面積限彎矩的綜合大于梁端極限彎矩總和。這就是所謂的強柱弱梁,既保證框架柱具有足夠的抗彎承載能力儲備,大大減少柱段屈服的可能性

3.2.2 強剪弱彎

框架結構的延性與均件的破壞形態有關,框架的抗震設計應遵循強剪弱彎的設計原則,以減少在非彈性變形時發生剪切破壞的可能性。框架結構的強剪弱彎設計原則，主要是有設計剪力的計算、抗剪承載力計算公式的選取以及必要的構造措施來實現。實際建立的計算與抗彎承載力的計算相類似,按抗震等級不同采用地震效應調整系數,但較抗彎承載力計算更嚴格,以相對提高抗彎承載力。同時為減少框架梁柱在非彈性反應趨于發生剪切破壞的危險,梁柱端部的設計剪力應與梁柱端部形成塑性鉸后的極限抗彎強度相對應,抗剪計算公式的選取主要表現為考慮地震作用的反復性及剪切問題的離散性,采用在縱筋屈服后的偏下限抗彎承載力計算公式,并輔以抗震構造措施。

3.2.3 強節點，強錨固

為保證框架結構的延性,在梁鉸機構充分發揮作用以前,框架節點,縱筋錨固不應過早破壞,框架節點破壞主要是因為節電出核心區箍筋數量不足,在建立和壓力的共同作用下,節點核心區混凝土出現斜裂縫,箍筋屈服至拉斷,柱的縱筋被壓屈以至拉斷而引起的。故規范通過保證核心區混凝土強度及配置足夠數量的箍筋，來防止節點核心區的過早剪切破壞,而強錨固要求則通過在靜力設計錨固長度的基礎上疊加一定的抗震附加錨固長度,利用鋼筋錨固段的機械錨固措施來實現的。對于塑性鉸區混凝土與箍筋剪力變化的關系。

4 意義

延性好的結構，塑性變形能力大，強度或承載能力降低緩慢，從而有足夠大的能力吸收和耗散地震能量，結構破壞過程比較長，破壞前有明顯征兆。能及早采取措施，避免發生傷亡事故及建筑物的全面崩潰。延性差的結構，達到最大承載力后承載力迅速降低，變形能力小，破壞時會突然發生脆性破壞，破壞后果較為嚴重，引起結構倒塌。加強鋼筋混凝土延性設計，就是要做到“小震不壞，中震可修，大震不倒”。