加強延性設計 提高結構抗震性能

楊淑紅

(呼倫貝爾學院，內蒙古呼倫貝爾 021008)

0 引言

地震是能量以波的形式向各個方向傳播、釋放并引起振動的過程。由于地震的難以預知和隨機發(fā)生，導致現(xiàn)有的“中國地震區(qū)劃圖”及相應的地震基本烈度表具有很大的不確定性，多次強烈地震及特大地震均發(fā)生在抗震設防低烈度地區(qū)。因此當大震來臨出現(xiàn)彈塑性變形時，結構需通過延性設計來保證有良好的抗變形和耗能能力。“變形、能量吸收與耗散”的能力是結構抗震性能的標志。

1 延性的涵義

1.1 物理術語

物理術語是指材料的結構、構件或構件的某個截面從屈服開始到達最大承載能力或到達以后而承載能力還沒有明顯下降期間的變形能力。

即:

1)承受較大的非彈性變形同時強度沒有明顯下降的能力。

2)利用滯回特性吸收能量的能力。

延性概念最早出現(xiàn)在1961年美國波特蘭水泥協(xié)會(PCA)制定的《多層鋼筋混凝土建筑抗震設計》手冊中。延性是抗震設計中的重要特性，用延性系數(shù)來度量。結構動力學和地震工程領域學者喬普拉(Anil K.Chopra)在其《結構動力學理論及其在地震工程中的應用》(第2版)7.2節(jié)中給出延性系數(shù)的表達式:

由于地面運動引起的彈塑性體系的位移峰值(最大位移)與屈服位移之比，即是無量綱的量。

1.2 四個層次

在結構抗震設計中延性有四層含義:材料的延性、桿件的延性、構件的延性、結構的延性。

材料的延性:發(fā)生較大的非彈性變形或反復彈塑性變形時強度沒有明顯下降的材料稱延性材料。

桿件的延性:構件中某一桿件(墻片中的連梁或墻肢、框架中的梁或柱)的塑性變形、能量吸收與耗散的能力。

構件的延性:結構中某一構件(一片墻或一榀框架)的塑性變形、能量吸收與耗散的能力。

結構的延性:通常指其整體塑性變形能力和抗地震倒塌能力。

2 延性設計的原則

實際工程中很難做到結構中所用桿件、構件均具有較高的延性，通常的做法是:對桿件的延性要求高于對構件的延性的要求;對構件的延性的要求高于對結構的延性要求。

1)加強如梁的兩端、柱的上下端、抗震墻墻肢的根部等關鍵部位的延性。

2)加強構件中關鍵桿件的延性。

如壁式框架中窗間墻的延性，聯(lián)肢墻中的窗裙梁的延性，框架(或框架筒體)中柱的延性。

3)設置多道抗震防線的抗震結構中加強第一道防線構件的延性。

如筒中筒的內筒延性，框架—抗震墻中抗震墻的延性。

4)加強房屋周邊、平面不規(guī)則結構突變處構件的延性。

偏心結構應考慮扭轉影響，加強剛度較弱一端構件的延性。

5)加強結構罕遇地震作用下塑性變形集中的薄弱樓層的構件延性。

如樓層屈服強度系數(shù)沿高度分布均勻的結構的底層的延性，樓層屈服強度系數(shù)沿高度分布不均勻的結構的系數(shù)最小和相對較小樓層的延性，單層廠房的上柱的延性。

3 延性設計的措施

3.1 材料的延性設計

3.1.1 纖維增強混凝土

在普通混凝土中摻入適量的各種纖維材料而形成的纖維增強混凝土，可很好的提高混凝土結構的抗震延性。應用較成熟的是在混凝土中摻入體積率為0.8%～1.5%的隨機亂向分布的短鋼纖維的鋼纖維增強混凝土。鋼纖維按生產工藝常見有:切斷鋼纖維、剪切鋼纖維、切削鋼纖維、溶抽鋼纖維，最有前途的是價格最低的溶抽鋼纖維。

3.1.2 高強混凝土

由于使用功能的限制，高、超高層建筑的框架柱截面尺寸不能隨意加大，軸向壓力又很大，其軸壓比大，柱的延性往往很差，在地震作用下呈脆性破壞，為降低軸壓比宜采用高強混凝土(同時應注意控制降低剪壓比)，以獲得良好延性。

3.1.3 纖維增強高性能混凝土

纖維增強高性能混凝土——在高強混凝土中摻加纖維是一種改善高強混凝土脆性的有效措施。其拉伸應力—應變曲線在應力峰值后出現(xiàn)應變軟化段，表明纖維增強高性能混凝土不僅大大提高了拉伸應力而且顯著改善了高強混凝土的脆性。

試驗還表明，在同樣纖維體積含量的情況下，鋼纖維和碳纖維對改善高強混凝土的脆性比合成纖維更為有效。

3.2 “強柱弱梁”的延性設計

柱是壓彎構件，梁是受彎構件，框架梁的延性通常遠大于柱的延性。有目的地增大柱端彎矩設計值，體現(xiàn)“強柱弱梁”的延性設計，實現(xiàn)梁鉸側移機構，即塑性鉸應首先在梁上形成，盡可能避免在危害更大的柱上出現(xiàn)塑性鉸。在強烈地震作用下，當結構發(fā)生較大側移進入非彈性階段時，框架保持足夠的豎向承載力從而免于倒塌。

3.3 梁柱的延性設計

3.3.1 控制軸壓比

軸壓比指柱組合的軸壓力設計值與柱全截面面積和混凝土軸心抗壓強度設計值乘積之比值，以表示。軸壓比是影響柱子破壞形態(tài)和延性的主要因素之一。試驗表明，柱的位移延性隨軸壓比增大而急劇下降，尤其在高軸壓比情況下，箍筋對柱的延性不再發(fā)揮作用。因此在確定柱等軸壓和壓彎構件的截面尺寸時，要控制其軸壓比。抗震設計時，希望框架柱最終發(fā)生受拉鋼筋首先屈服的具有較好塑性的大偏心受壓破壞。隨軸壓比的增大，會出現(xiàn)混凝土壓碎而受拉鋼筋并未屈服的呈受壓塑性鉸的小偏心受壓破壞。受拉塑性鉸的大偏心受壓破壞延性好，有較大吸收能量的能力，因此也要控制其軸壓比最大值。

3.3.2 限制剪跨比

3.3.3 降低剪壓比

剪壓比指截面上平均剪應力與混凝土軸心抗壓強度設計值的比值，是結構抗震設計中經常使用的關鍵指標。

桿件塑性鉸區(qū)的截面剪壓比對其延性、耗能能力、強度及剛度有明顯的影響，當剪壓比超過一定數(shù)值時，混凝土會碎裂，桿件較早出現(xiàn)斜裂縫，此時即使增加橫向鋼筋的用量，也不能有效提高其受剪承載力。因此應降低剪壓比(本質是要求桿件達到一定的面積指標)。

3.3.4 加強約束箍筋

震害表明，框架柱的破壞一般發(fā)生在柱上下端1.0倍～1.5倍柱截面高度范圍內，加密柱端箍筋，可側向支撐縱筋防止縱筋壓屈、承擔柱子剪力、提高混凝土抗壓強度及彈塑性變形能力。其中箍筋對混凝土的約束程度主要與箍筋形式、體積配箍率、箍筋抗拉強度及混凝土軸心抗壓強度等因素有關。

3.3.5 控制縱筋的配筋率

為獲得較大屈服變形，防止柱在地震作用下過早屈服，應增大柱縱向鋼筋的最小總配筋率，且每一側配筋率不應小于0.2%。同時過大的配筋率易產生剪切破壞或粘結破壞從而使柱的延性變差，因此還應減小框架柱縱向鋼筋的最大總配筋率。同時加大縱向鋼筋的錨固長度。

3.4 滿足“強剪弱彎”的破壞形態(tài)

抗震設計時應使構件的受剪承載力大于其受彎承載力，使構件發(fā)生延性較好的彎曲破壞，防止在彎曲破壞前發(fā)生延性較差的剪切破壞。這也是保證構件在塑性鉸出現(xiàn)之后也不過早剪壞的有效措施。

3.5 “強節(jié)點弱構件”的延性設計

節(jié)點核心區(qū)是抗震的薄弱部位，在彎矩、剪力、軸力作用下處于復雜應力狀態(tài)。一旦破壞難以修復加固，所以設計時要使節(jié)點核心區(qū)的承載力高于與之相連的桿件的承載力，達到連接桿件充分發(fā)揮承載能力和變形能力的目的。

4 結語

GB 50011-2010建筑抗震設計規(guī)范是依據(jù)抗震等級對構件本身不同性質的承載力或構件間的相對的承載力進行內力調整，并依據(jù)規(guī)定的構造要求來達到結構延性的要求。構造措施即指:在設計中采取的強梁弱柱、強剪弱彎、強核心區(qū)強錨固、限制軸壓比、剪跨比、剪壓比、控制縱筋的配筋率、加強箍筋對混凝土的約束等措施。

加強延性設計提高結構抗震性能，目前還處于非確定性設計階段，即概念性設計階段。軸壓比、剪跨比、配箍特征值等因素的影響已取得一定成果，但還有混凝土保護層、配箍形式等很多因素的影響尚不明確，有待進一步研究。

［1］GB 50011-2010，建筑抗震設計規(guī)范［S］.

［2］朱炳寅.建筑抗震設計規(guī)范應用與分析［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

［3］王社良.抗震結構設計［M］.第4版.武漢：武漢理工大學出版社，2011.

［4］Anil K.Chopra，謝禮立.結構動力學理論及其在地震工程中的應用［M］.第2版.北京：清華大學出版社，2005.