建筑框架結構抗震延性設計探討

王明

【摘要】在滿足承載能力的條件下，結構抗震性能的優劣取決于結構的延性性能。結構承載能力較高，延性變形能力較小，水平地震作用下吸收的地震能量較少，當結構遭遇超過本地區抗震設防烈度的地震作用時，很容易因脆性破壞而造成結構坍塌。因此，如何提高結構的抗震性能，保證結構在地震作用下的延性實現問題一直是工程技術人員所關注的問題。本文結合現行《混凝土結構設計規范》（GB50010-2002）（以下簡稱“規范”） 和《建筑抗震設計規范》（GB50011-2008）（以下簡稱“抗規”）對框架結構的延性實現問題進行了分析總結。

【關鍵詞】鋼筋混凝土；框架結構；延性設計；抗震

結構抗震的本質就是結構在地震作用下通過塑性變形耗散和吸收能量的能力，提高結構的變形能力和結構抗震性能。本文結合現行《混凝土結構設計規范》和《建筑抗震設計規范》相關規定，分析了鋼筋混凝土框架結構延性設計的基本思想和基本公式要求，以及保證結構抗震延性的基本構造措施。

一、框架結構的延性設計

框架結構主要由框架梁、框架柱和梁柱節點組成。框架結構的延性很大程度上取決于框架梁和框架柱構件本身的延性和屈服彎矩。在地震作用下，框架經歷加載和卸載的過程，即吸收和釋放能量的循環，循環能量的差值即為結構或構件在地震作用下耗能的過程。結構吸收的地震能量可以由力—位移曲線所包圍的面積來表示，如圖1。

（a）力-位移曲線的前期（b）力-位移曲線的后期

圖1力—位移曲線

1.1框架梁的延性設計

框架梁的延性設計可以從正截面抗彎和斜截面抗剪兩個方面進行設計。

1.1.1框架梁正截面延性設計

框架梁正截面破壞形式有三種：少筋破壞、適筋破壞和超筋破壞。

少筋破壞即梁受拉區配置縱向鋼筋數量較少，因此在彎矩作用下，受拉區混凝土一開裂，受拉鋼筋即屈服，甚至進入強化階段，構件破壞。為此，《規范》9.5.1條表9.5.1對最小配筋進行控制，防止出現少筋梁脆性破壞，即

ρmin≥max0.2%，45ftfy% （1）

式中ft——混凝土抗拉強度設計值；

fy——縱筋抗拉強度設計值。

超筋破壞即縱向受拉鋼筋配置量較多，在彎矩作用下鋼筋未屈服而受壓區混凝土破碎，屬破壞較突然的脆性破壞。為此，《規范》第7.2.1條在計算構件受壓區高度時規定了式（2）的限制條件，同時《抗規》6.3.3條第1款對不同抗震等級的框架梁的最大配筋率進行了限制，以防止出現超筋梁破壞。

x≤ξbh0 （2）

式中x——截面受壓區高度；

ξb——界限受壓區高度；

h0——截面有效高度。

為保證梁處于適筋狀態，設計結果除滿足式（1）、（2）外還需滿足：

ρmax≤ξbα1fcfy （3）

x≥2a' （4）

式中α1——受壓區混凝土矩形應力圖的應力值與混凝土軸心抗壓強度設計值的比值，取值參見《規范》第7.1.3條；

fc——混凝土抗壓強度設計值；

a'——受壓區全部縱向鋼筋合力點至截面受壓邊緣的距離。

1.1.2框架梁的斜截面延性設計

框架梁斜截面破壞形式有三種：斜拉破壞、斜壓破壞和剪壓破壞。

由于沒有足夠而有效的鋼筋穿過斜截面而發生一裂即壞的斜拉破壞。為了避免工程設計中出現斜拉破壞，《規范》第10.2.10條對梁的最小配箍率給予了限制，即

ρsv，min=0.24ftfy （5）

同時為滿足不同抗震需求，《抗規》6.3.3條第3款、6.3.5對不同抗震等級的框架梁的箍筋直徑、肢距等作出了相應規定。

斜壓破壞是由于在穿過斜裂縫的腹筋屈服前，剪壓區混凝土的受壓承載力不足，混凝土先被壓壞。設計中往往通過截面控制防止斜壓破壞的出現，《規范》第7.5.1條對此項進行了規定，

當hw/b≤4時，V≤0.25βcfcbh0 （6）

當hw/b≤6時，V≤0.25βcfcbh0 （7）

當4

式中V——構件斜截面上的最大剪力設計值；

hw——截面的腹板高度：對矩形截面，取有效高度；對“T”形截面，取有效高度減去翼緣高度；對“工”字形截面取腹板凈高；

b——矩形截面的寬度，“T”形截面或“工”字形截面的腹板寬度；

βc——混凝土強度影響系數，取值參見7.1.3條。

1.2框架柱的延性設計

框架柱是結構的主要承重構件，在抗震設計中對框架柱提出了很多要求。影響框架柱延性的主要因素有：

（1）軸壓比。國內外的試驗研究表明，受壓構件的位移延性隨軸壓比的增加而減小。《規范》第11.4.16條表11.4.16列出了不同結構體系和抗震等級的軸壓比限值，由此表可以發現隨著抗震等級的提高，軸壓比要求趨于嚴格。實際工程中，往往通過增加柱的配箍率、采用復合箍、螺旋箍筋等形式加強箍筋對混凝土的約束作用，提高混凝土的抗壓強度，增大其極限應變，從而改善柱的延性和耗能能力。

（2）剪跨比λ（λ=Hn/（2h0），Hn為框架柱的凈高；h0為梁截面的有效高度）。研究結果表明，剪跨比能大體反映出截面上彎曲正應力和剪應力的比例關系，是決定框架柱延性破壞還是脆性破壞的主導因素。在地震反復循環荷載作用下，隨著剪跨比的增大，構件所能承受的最大水平荷載逐漸減小，構件的破壞形態不斷轉化（依次為λ<15的超短柱的剪切斜拉破壞、1.5≤λ≤2的短柱的粘結開裂破壞、λ>2的長柱的彎曲壓潰破壞），變形能力不斷提高。

1.3節點的延性設計

鋼筋混凝土框架的延性和能量耗散能力，主要源之于梁和柱子上經過專門構造處理的塑性鉸的變形。由于節點的動力性能受剪切和錨固機制控制，節點的滯回特性較差，是能量耗損較差的部位，一般不宜作為能量耗散部位，節點的變形限制在彈性范圍內。為了加強在地震作用下節點對整體結構的貢獻，提高結構的延性和剛度，節點設計應滿足以下要求：

（1）強節點。節點的設計荷載應具有與其相連接的構件設計荷載具有相同的特性。要求節點具有足夠的強度以抵抗與其相連接的構件的不利組合，必要時可以抵抗相對較大的荷載。

節點核心區是保證框架承載力和延性的關鍵部位。為使鋼筋混凝土框架梁柱節點具有較高的強度，《抗規》要求對于一、二級的節點核心區應進行內力分析，并采取附加的構造措施，對于三、四級框架只要求采取抗震構造措施。

（2）強錨固，防止鋼筋滑移或被拔出。為使框架的梁柱縱向鋼筋有可靠的錨固條件，保證節點核心區混凝土的抗剪承載力，框架梁柱節點核心區的混凝土應具有良好的約束，因此，規范對節點核心區內的配箍特征值進行了限制，一、二、三級框架節點核心區的配箍特征值分別不宜小于0.6%、0.5%和0.4%。

二、結束語

框架結構的抗震延性設計允許結構部分構件在預期的地震作用下發生反復的彈塑性變形，在保證結構不發生坍塌的情況下，允許部分構件通過變形損傷進行滯回耗能。從某種意義上來說，結構抗震的本質就是延性，延性結構是以變形為抗震能力。

參考文獻

[1]吳德安.混凝土結構計算手冊.北京：中國建筑工業出版社，2008

[2]高小旺.建筑抗震設計規范理解與應用.北京：中國建筑工業出版社.2008

[3]李喬. 混凝土結構設計原理. 北京：中國鐵道出版社，2009