論鋼筋混凝土結構結構延性設計措施及意義

【摘 要】鋼筋混凝土結構的各類構件應具有必要的強度和剛度，并具有良好的延性性能，避免構件的脆性破壞，從而導致主體結構受力不合理，地震時出現過早破壞。因此，可以采取措施，做好延性設計，防止構件在地震作用下提前破壞，并避免結構體系出現不應有的破壞。

【關鍵詞】鋼筋混凝土結構；構件；延性設計

0.前言

在我國多高層建筑中，鋼筋混凝土結構應用最為普遍。因為其具有足夠的強度、良好的延性和較強的整體性，目前廣泛用于地震設防地區。在地震作用下，混凝土結構或構件的破壞可分為脆性破壞和延性破壞兩種，其中脆性破壞的危害時非常大的，設計上是一定要避免的，而延性破壞時指構件承載力沒有顯著降低的情況下，經歷很大的非線性變形后所發生的破壞，在破壞前能給人以警示。鋼筋混凝土結構的各類構件應具有必要的強度和剛度，并具有良好的延性性能，避免構件的脆性破壞，從而導致主體結構受力不合理，地震時出現過早破壞。因此，可以采取措施，做好延性設計，防止構件在地震作用下提前破壞，并避免結構體系出現不應有的破壞。構件延性性能一般用延性比來表示。描寫延性常用的變量有：材料的韌性，截面的曲率延性系數，構件或結構的位移延性系數，塑性鉸轉角能力，滯回曲線，耗能能力等。試驗和非線性計算分析表明：構件的結構的破壞由受拉鋼筋引起的，常表現出良好的延性，如適筋梁、大偏心受壓柱等；而破壞由混凝土拉斷、剪壞和壓潰控制的常表現為脆性，如素混凝土板、超盡梁、地震作用下剪切破壞的短柱等。

1.提高鋼筋混凝土結構結構延性措施

1.1限制構件縱向鋼筋配筋率

當梁縱向受拉鋼筋配筋率很高時，在彎矩達到最大值時，彎矩—曲率曲線很快出現下降；當配筋率較低時，彎矩達到最大值后能保持相當長的水平段，因而大大提高了梁的延性和耗散能量的能力。理論上，當梁的縱向配筋率取為平衡配筋率時，縱向受拉鋼筋屈服與壓區混凝土壓碎同時發生，截面延性系數為零。因此，應限制縱向受拉鋼筋配筋率，保證構件具有足夠的延性。混凝土受壓區配置受壓鋼筋，可以減少相對受壓區高度，改善構件延性。

1.1提高構件橫向鋼筋

在受壓構件或壓彎構件中配置封閉式箍筋、螺旋筋等密排橫向鋼筋，可以限制混凝土的橫向變形，提高構件的承載力和極限變形能力，使得混凝土構件在極限荷載下具有良好延性性能。箍筋對構件延性的貢獻，取決于箍筋的形式和體積配箍率。不同形式的箍筋對核心區混凝土的約束作用時不相同的，螺旋箍筋對核心區混凝土產生均勻分布的側向壓力，使混凝土處于三向受壓狀態，矩形箍筋只對角隅處混凝土產生有效的約束，側面混凝土有外凸的趨勢，約束作用降低。因此配有螺旋箍筋的構件，其延性好于配有矩形箍筋的構件。

1.2選用合理鋼筋與混凝土的強度

構件的縱筋易選用延伸率較大、與混凝土粘結性能好的Ⅱ、Ⅲ級鋼筋。混凝土的強度和施工質量對鋼筋的粘結錨固至關重要，一級抗震的框架要求混凝土強度等級不低于C30，其它抗震等級時不低于C20。C60 和C60以上的高強混凝土本身的韌性降低，對結構的延性不利。采用冷拉鋼筋、高強鋼筋（絲）和鋼絞線等延伸率較低的鋼筋配制預應力混凝土結構，只要適當配置熱軋非預應力鋼筋、保證配筋指數不超過一定限制和適當提高箍筋構造要求，結構的延性也可滿足抗震要求。

1.3控制桿件軸壓比

柱的軸壓比是影響框架結構延性的重要因素。柱的延性隨軸壓比增大而減小，軸壓比超過界限值將發生小偏壓脆性破壞。在抗震設計中應控制柱的軸壓比不超過限值，使其發生大偏壓破壞并具有一定延性。規范規定，對于框架柱相應于一、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系指柱軸壓力設計值與柱軸壓承載力設計值得比值。

1.4縱筋的構造要求

梁的延性隨截面受壓區高度減小而增大，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，柱的縱向配筋率不得少于0.8%、0.7%、0.6%、0.5%、（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200mm。

1.5箍筋的構造要求

箍筋不僅提供構件和節點的抗剪能力，確保“強柱弱梁”和“強節點”設計目標的實現，同時還對梁、柱塑性鉸區混凝土和受壓鋼筋提供約束作用，延緩塑性鉸的破壞過程，從而改善結構的延性和耗能能力。梁和柱的剪切破壞區和彎壓塑性鉸區均發生在構件的兩端，因此應對構件兩端的箍筋加密設置。加密區的構造要求包括加密區的長度、箍筋最小直徑、最大間距和最小體積率的規定。同時規范還規定了箍筋沿構件全長的最小體積率以及節點的最小體積率。其中柱加密區和節點的箍筋最小體積率除與抗震等級有關外，還與柱的軸壓比和箍筋的類型有關。抗震等級高要求的最小體積率高、軸壓比高要求的最小體積率高，采用普通箍筋比采用螺旋箍筋要求的體積率高。對于一級抗震的角柱在地震作用下可能伴隨扭轉作用，Hn/h 小于4 的框架柱可能產生剪切破壞，這兩種情況需要在全長加密箍筋。

1.6提高柱和節點承載力

以砼框架結構為例，截面的破壞形態有剪切破壞、彎曲破壞、小偏心的受壓破壞，大偏心的受壓破壞。但按受力特點可分為兩類：受壓破壞和受拉破壞。其中彎曲破壞和大偏心受壓破壞屬于受拉破壞，剪切破壞和小偏心受壓破壞屬于受壓破壞。受拉破壞是由受拉鋼筋屈服引起的破壞，受拉鋼筋進入屈服階段形成塑性鉸，在截面完全破壞達到承載力極限狀態前，要經歷較大的塑性變形才達到承載力極限狀態，由于形成了塑性鉸，截面塑性變形引起截面裂縫急劇開展和變形急劇增加，而后混凝土才達到極限壓應變壓碎，到達承載力極限狀態，截面破壞階段能給人以明顯的破壞預兆，具有延性破壞的性質；受壓破壞是由受壓砼壓碎引起或斜截面控制的破壞，破壞過程中未形成塑性鉸無明顯的塑性變形，不能給人以明顯的破壞預兆，由于這種破壞帶有一定的突然性，具有脆性破壞的性質。當結構中截面出現受壓破壞時，塑性變形小，結構延性差；當結構中截面出現受拉破壞時，塑性變形大，結構延性好。

2.鋼筋混凝土結構具有良好延性意義

（1）提高延性可以增加結構抗震潛力，增強結構抗倒塌能力。延性結構通過塑性鉸區域的變形，能夠有效地吸收和耗散地震能量；同時，這種變形降低了結構的剛度，致使結構在地震作用下的反應減小，也就是使地震對結構的作用力減小。當結構設計成為延性結構時，由于塑性變形可以耗散地震能量，結構變形雖然會加大，但結構承受的地震作用不會很快上升，內力也不會再加大，因此具有延性的結構可降低對結構的承載力要求，也可以說，延性結構是用它的變形能力來抵抗罕遇地震作用；

（2）具有良好延性鋼筋混凝土結構設計，能獲得最佳性價比。如果結構的延性不好，則必須有足夠大的承載力抵抗地震，從而會多用材料，對于地震發生概率極少的抗震結構，延性結構是一種經濟的設計對策。

（3）延性可以使超靜定結構的內力得以充分重分布，采用塑性內力重分布方法設計時，同樣也可以節約鋼筋用量，取得較好的經濟效果。

（4）防止脆性破壞：由于鋼筋混凝土結構或構件的脆性破壞是突發性的，沒有預兆，所以為了保障人們生命財產安全，除了對構件發生脆性破壞時的可靠指標有較高要求以外，還要保證結構或構件在破壞前有足夠的變形能力。

（5）承受某些偶然因素的作用：結構在使用過程中可能會承受設計中未考慮到的偶然因素的作用，比如說，偶然的超載、基礎的不均勻沉降、溫度變化和收縮作用引起的體積變化等。這些偶然因素會在結構中產生內力和變形，而延性結構的變形能力，則可作為發生意外情況時內力和變形的安全儲備。

因此可以說結構的延性和結構的強度是同等重要的。延性好的結構的破壞我們稱之為塑性破壞，延性差的結構的破壞我們稱之為脆性破壞，塑性破壞能提前給人以預兆，是符合結構設計理論的。

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