鋼筋混凝土框架結構抗震延性設計

王紅偉

（武漢建筑材料工業設計研究院有限公司，武漢 430071）

國民經濟的快速發展導致越來越多的高層建筑物出現，高層建筑物由于重量大、高度高，若設計不當，在地震過程中很容易發生破壞，造成嚴重的生命財產損失，引起惡劣的社會效應。鋼筋混凝土框架結構，作為我國建筑結構物中最常用的結構形式，由于其自身具有良好的延性、較強的完整性以及較高的強度、剛度，廣泛應用于我國地震設防區域，其良好的抗震性能在地震中發揮了積極的作用。根據我國《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）提出的結構物三水準的抗震設防要求：（1）第一水準：當遭遇低于本地區設防烈度的地震影響時，建筑物一般不損壞或不需修理仍然可以繼續使用；（2）第二水準：當遭遇本地區設防烈度的地震影響時，建筑物可能損壞，但經過修理后或不需修理仍可繼續使用；（3）第三水準：當遭遇高于本地區設防烈度的地震影響時，建筑物不倒塌，或不發生危及生命的嚴重破壞。即“小震不壞，中震可修，大震不倒”的設計思想。

該文主要討論鋼筋混凝土框架結構的抗震延性設計，根據地震中框架結構的震害分析，說明結構物抗震延性設計的重要性。在此基礎上，從框架結構消耗地震能量的角度出發，給出了鋼筋混凝土框架結構抗震延性設計的方法及要求。

1 框架結構震害分析

根據5.12汶川特大地震和4.14玉樹大地震中建筑結構物的震害情況，此節對地震中鋼筋混凝土框架結構的典型震害特征進行分析說明。通過總結可以發現，鋼筋混凝土框架結構在地震中容易出現的典型破壞特征主要有以下幾點：

1）框架柱的破壞

為了保證建筑結構物在地震中不至于倒塌，建筑物抗震設計相關規范中要求的“強柱弱梁”，確保梁的破壞出現在柱之前。因此，地震中框架柱的破壞主要表現在以下幾個方面：

（1）強震中框架柱柱底部分出現水平裂縫，部分混凝土被壓碎，導致縱向受力鋼筋暴露表面，甚至部分鋼筋發生屈曲，同時箍筋發生嚴重扭曲，如圖1所示。

（2）框架柱柱頂與梁端連接處的節點發生嚴重破壞，框架柱端形成明顯的塑性鉸，鋼筋發生彎曲外露，嚴重處甚至發生屈曲，如圖2所示。

（3）框架結構部分構件在地震情況下由之前的長柱變為短柱，其受力狀態發生明顯變化，導致其結構本身易發生剪切破壞，斜向裂縫產生，表層混凝土剝落，鋼筋外露，如圖3所示。

2）梁柱節點的破壞

梁柱節點是框架結構在地震中容易發生破壞的區域之一，其破壞的主要形式主要包括節點核心區的剪切破壞和鋼筋的錨固破壞，主要表現有以下幾個方面：受壓區域混凝土被壓碎、受拉區域鋼筋發生屈曲破壞，框架柱端形成塑性鉸，在節點處出現交叉裂縫，如圖4所示。

3）建筑突出結構部分的“鞭梢效應”

部分鋼筋混凝土框架結構由于功能需要在結構頂端存在突出部分，地震中該突出部分能產生明顯的“鞭梢效應”，即突出部分所承受的地震力是其他部分所承受地震力的幾倍，因此地震中突出部分極易產生破壞，破壞形式有表層混凝土發生剝落，突出部分與結構主體之間產生裂縫，甚至發生傾斜、坍塌等情況，如圖5所示。

4）填充墻體的破壞

填充墻體一般采用磚砌體對結構物空間進行分割和圍護，由于磚砌體自身的抗剪強度較低，同時在地震中變形能力較差，因此在水平地震作用力的作用下，填充墻通常情況下會出現水平縫和交叉裂縫，如圖6所示。

2 框架結構延性設計的重要性

對5.12汶川特大地震和4.14玉樹大地震中鋼筋混凝土框架結構發生破壞的原因進行分析發現，大部分結構物的破壞都是因為沒有嚴格按照結構物抗震延性設計的相關要求進行設計引起的。因此，在鋼筋混凝土框架結構的設計中，尤其是位于抗震設防區域的地區，結構的抗震延性設計顯得特別重要。鋼筋混凝土框架結構的抗震實際上就是對建筑結構物的延性設計，提高框架結構的抗震能力，增加結構物的抗坍塌能力。所謂結構物的延性，就是反映結構物在外荷載作用下所產生的非線性變形能力，同時結構物的承載力不發生明顯的變化。通常情況下，結構物的延性能用來判斷某一結構物在地震作用下的抵抗變形的能力和消耗地震能量的能力。結構物的抗震延性設計在地震中可以最大程度的根據設計理論，減小地震帶來的財產損失和人員傷亡。綜上所述，結構物的延性設計在抗震中發揮著至關重要的作用。

3 框架結構耗能機理

鋼筋混凝土框架結構主要由2部分組成，即豎向框架柱和水平框架梁。其中，豎向框架柱主要為壓彎構件，而水平框架梁主要為彎剪構件。既有研究成果表明，鋼筋混凝土框架結構的延性很大程度上由框架柱和框架梁自身的延性和屈服強度決定。

鋼筋混凝土框架結構在地震作用下，框架結構在每一個循環過程中，存在加載與卸載2個階段，在加載階段時框架結構是吸收或者存儲能量，在卸載階段時結構釋放能量，但是吸收部分和釋放部分不相等。這兩者的差值即為框架結構在該循環中消耗的能量，即為耗能?？蚣芙Y構吸收的能量可以根據力－位移曲線所包圍的面積來表示，如圖7所示。

4 框架結構延性設計

通常來講，鋼筋混凝土框架結構的抗震延性設計主要包括以下3個方面：延性框架柱的設計、延性框架梁的設計和延性框架節點的設計。以下進行分別說明：

1）延性框架柱和梁的設計

在地震作用中，梁構件是鋼筋混凝土框架結構的主要耗能構件，這是由梁構件的延性來為框架結構提供延性，因此在抗震結構設計中要求框架梁應具有良好的延性。同時，框架柱是鋼筋混凝土框架結構中主要的受力桿件，因此在抗震設計相關規范中，對框架柱和框架梁提出了以下2個要求，即強剪弱彎和強柱弱梁。

（1）強剪弱彎

在地震的反復荷載作用下，框架柱的抗剪承載力主要由3部分組成，包括混凝土部分的抗剪能力、鋼筋結構部分的抗剪能力和軸向荷載作用下的影響效應產生的剪力。在地震力加載初期，混凝土部分承擔了剪力中的絕大部分，然后是箍筋部分承擔的剪力。隨著加載過程的推進，在框架結構隨著交叉斜裂縫的產生和發展，混凝土和箍筋的作用在發展著變化，即此時的絕大部分剪力由箍筋承擔，然后才是混凝土部分。

因此，在地震低周期反復荷載的作用下，鋼筋混凝土框架結構中框架柱構件中混凝土部分對剪力的抵抗貢獻率在不斷的減小，相應增加的是箍筋對剪力的貢獻率。如果在設計中箍筋的配筋率不足，在混凝土貢獻率減小、箍筋貢獻率增大的情況下，框架柱中的箍筋會因為與斜裂縫相交發生屈服或者破壞，導致斜裂縫迅速發展，最終貫穿構件的受壓邊緣導致構件發生剪切受拉破壞。

我國《建筑抗震設計規范》中則是通過調整框架柱端部所承受的剪力設計值，同時配置相當量的箍筋以此保證構件體積配箍率的要求，最終達到強剪弱彎的延性設計要求。

（2）強柱弱梁

如果鋼筋混凝土框架結構在地震中形成梁鉸結構，那么塑性鉸的分布則會相對均勻，同時梁鉸結構的延性設計要求也比較容易實現。另一方面，如果形成了柱鉸結構，那么整個框架結構極易形成一個機構結構，導致結構出現不穩定，最終導致整個框架結構發生坍塌。因此，為了保證鋼筋混凝土框架結構的延性，設計中要求同一節點上柱端截面抗彎承載力之和大于梁端截面抗彎承載力之和，即要求在框架結構設計的時候滿足強柱弱梁的原則，保證結構有足夠的能力抵抗地震力，減小地震力作用下框架柱端發生屈服的可能性，增加框架結構構件的延性。

2）延性框架節點的設計

框架梁和柱的連接節點經過專門處理保證塑性鉸的變形，以此來保證鋼筋混凝土框架的延性和消耗地震的能量。框架節點的動力性能主要是通過錨固和剪切機制進行控制，在地震中節點的滯回特性比較差，因此變成框架結構中耗能較弱的部分，所以通常不作用耗散能量部位。

鋼筋混凝土框架節點的破壞主要是由于節點核心區域配置的箍筋不足，導致在剪力和壓力的共同作用下核心區的混凝土出現了斜裂縫，最終引起箍筋屈服甚至被拉斷，柱的縱向箍筋被壓屈等現象。因此，為了防止節點核心區發生剪切破壞，對節點剪壓比進行控制及進行節點核心區抗剪承載力驗算，保證節點核心區混凝土的強度滿足要求和配置足夠數量的鋼筋，做到“強節點”。

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