混凝土結構延性設計的重要性

郭 可

（大連建宇建筑設計咨詢有限公司）

混凝土結構延性設計的重要性

郭 可

（大連建宇建筑設計咨詢有限公司）

混凝土延性設計是提升建筑結構的整體性、穩定性，減少結構受到外力時受到的破壞程度，提升建筑抗震能力，對于建筑安全以及使用者的安全都有著重要意義。本文從混凝土結構延性概念、重要性、延性設計進行了分析。

混凝土結構 延性設計 分析

引言

建筑物的抗震能力和安全性，不僅取決于構件的(靜)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，所能吸收的能量多，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、結構延性的概念

1.1概念及要求

延性包括材料、截面、構件和結構的延性。延性是指屈服后，強度和承載能力沒有顯著降低時的塑性變形能力。延性大，說明塑性變形能力大，強度或承載力的降低緩慢，從而有足夠大的能力吸收和耗散地震能量，避免結構倒塌；延性小，說明達到最大承載能力后承載力迅速降低，變形能力小，呈現脆性破壞，引起結構倒塌。結構延性可以來自材料延性、截面曲率延性、構件位移延性和結構位移延性。一般來說，對截面延性的要求高于對構件延性的要求，對構件延性的要求高于對結構延性的要求。我國規范沒有對結構、構件的延性系數和耗能能力做定量的規定，只規定了罕遇地震作用下各結構體系的彈塑性層間位移角限值。例如，鋼筋混凝土框架結構的屈服層間位移角為1/200左右，規范規定其彈塑性層間位移角限值為1/50。

1.2鋼筋混凝土結構都應該設計成延性結構

“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設計原則，也就是要做到在設防烈度地震作用下，允許部分構件出現塑性鉸，這種狀態是“中震可修”狀態；合理控制塑性鉸部位、構件又具備足夠的延性，可做到在大震作用下結構不倒塌的狀態。延性結構的塑性變形可以耗散地震能量，雖然結構變形會加大，但內力不會很大，對構件的承載能力要求不會很高。也就是說，延性結構是用它的變形能力，而不是承載力抵抗強烈的地震作用。因此，對于地震發生概率極少的抗震結構，延性結構是一種經濟合理和安全的設計方向。設計規范上對延性結構的要求融入了各章節，并通過計算和構造給結構設計了多道防線。這方面的闡述已較明朗，實際工作中也得到充分采納。然而，我們在實際設計工作中，建筑體形、結構布置確定后，要反映延性框架和延性剪力墻的抗震概念，可以通過哪些實用有效又經濟的方式，這里具體介紹一下。

2、延性設計的重要性

2.1強柱弱梁

框架結構最佳的抗震機制是梁式側移機構，即梁端的塑性鉸先于柱端出現塑性鉸的側移機構。塑性鉸具有足夠的轉動能力可繼續承受部分壓力，從而保證框架結構具有一個較穩定的塑性耗能機構來抵抗地震能量，因此應限制梁的受壓區高度，對梁上荷載進行不利組合并進行彎矩調幅，控制其受彎承載力；合理布置梁端配筋，使其滿足配筋率要求不過大；同時，適當增加柱端配筋率，保證塑性鉸在梁端產生。

2.2強剪弱彎

剪切破壞一旦發生，則構件會失去抗震能力，退出工作。柱若先發生剪切破壞，則可能導致結構的局部破壞甚至整體倒塌。所以有必要強調框架結構盡量發生彎曲破壞而非剪切破壞。“強剪弱彎”原則即要求梁柱斜截面承載力大于正截面承載力，防止發生脆性的剪切破壞。在《建筑抗震設計規范》中規定梁柱截面抗剪承載力設計值要根據不同的抗震等級乘以相應地放大系數，就是“強剪弱彎”原則的表現。

2.3 強節點強錨固

節點是梁柱構件的公共部分，節點的失效意味著與之相連的柱和梁同時失效。框架結構最佳的抗震機制是梁式側移機制，即梁端先出現塑性鉸，而梁端塑性鉸形成的基本前提是保證梁縱筋在節點區有可靠的錨固，故而延性設計時要求“強節點強錨固”。為防止節點核芯剪切破壞和鋼筋錨固破壞，節點設計時應遵循的準側有：節點的承載力不低于其連接構件的承載力；多遇地震時節點在彈性范圍內工作；罕遇地震時節點承載力的降低不得危及豎向荷載的傳遞；梁柱縱筋在節點區應有可靠的錨固。除此三個原則外，影響延性設計的因素還有材料強度、軸壓比、配箍率、剪跨比等因素，所以在抗震延性設計時除必須遵循(強柱弱梁，強剪弱彎，強節點強錨固)的原則外，還應密切注意這些因素帶來的影響。

3、提高構件延性的措施

3.1減小豎向構件的軸壓比

豎向構件的延性對防止結構的倒塌至關重要.對于鋼筋混凝土豎向構件，軸壓比是影響其延性的主要因素之一。試驗研究表明，鋼筋混凝土柱子和剪力墻的變形能力隨著軸壓比的增加而明顯下降。抗震規范對抗震等級為一級、二級、三級的框架柱和抗震等級為一級、二級的剪力墻底部加強部位的軸壓比進行了限制。框架柱的初始截面尺寸常常根據軸壓比的限制來進行估算。

3.2控制構件的破壞形態

構件的破壞形態機理和破壞形態決定了其變形能力和耗能能力.發生彎曲破壞的構件的延性遠遠高于發生剪切破壞的構件，一般認為彎曲破壞是一種延性破壞，而剪切破壞是一種脆性破壞.因此，控制構件的破壞形態(使構件發生彎曲破壞)，可以從根本上控制構件的延性.目前，在鋼筋混凝土構件的抗震設計中采用“強剪弱彎”(即構件的受剪承載力大于受彎承載力)的原則來控制構件的破壞形態，一般采用增大剪力設計值和增加抗剪箍筋的方法來提高構件的受剪承載力，并且通過驗算截面上的剪力來控制截面上的平均剪應力的大小，避免過早發生剪切破壞，對跨高比(或剪跨比)小的構件，平均剪應力的限制更加嚴格。

3.3加強抗震構造措施

構件的延性也與構造措施密切相關，采用合理的構造措施能有效地提高構件的延性，對于不同類型的構件可采取不同的抗震構造措施。

3.3.1 鋼筋混凝土框架梁

在其受壓區配置一定數量的縱向鋼筋可減小梁截面的受壓區高度，增加梁端的轉動能力，從而提高梁的變形能力。試驗研究表明，當梁截面的受壓區相對高度x/h0在0.2～0.35時，梁的曲率延性系數可在4左右.因此，需限制梁端截面的受壓區相對高度。此外，在梁端塑性鉸區縱筋屈服的范圍內，可達 1.5～2.0倍的梁高)配置加密的封閉式箍筋，間距小于6～8倍的縱筋直徑，可以提高該范圍的壓區混凝土的極限壓應變，并防止在塑性鉸區內壓筋過早壓屈和最終發生剪切破壞，從而保證梁有較大的延性。

3.3.2 鋼筋混凝土框架柱

實際震害表明，在反復地震作用下，柱端的保護層往往首先剝落.此時，若無足夠的箍筋約束，在壓力作用下，縱筋就會向外膨曲，柱端破壞.箍筋對柱子的核心區混凝土具有較強的約束作用，提高配箍率可以顯著提高受壓區混凝土的極限壓應變，從而增加柱子的變形能力。因此，在框架柱的兩端需配置加密的封閉式箍筋(間距小于6～8倍的縱筋直徑)，抗震規范還對箍筋加密區的體積配箍率的最小限制作了規定.對于短柱(一般指剪跨比不大于2的柱)，由于變形能力差，需要沿整個高度配置加密箍筋.此外，柱子中配箍的形式對其變形能力也有較大的影響。試驗研究表明，采用螺旋箍、復合螺旋箍或連續復合螺旋箍，可顯著提高柱子的極限變形能力。根據日本的試驗報告，相同柱截面，相同配筋、配箍率，相同箍距和箍筋肢距，采用連續復合螺旋箍的柱子的極限變形比采用一般復合箍筋的柱子提高25%.采用這類箍筋形式的柱子，軸壓比的限值可適當放寬。

3.3.3 鋼筋混凝土剪力墻

在墻端部設置邊緣構件(暗柱、明柱、翼柱)，將墻體的縱向鋼筋量的大部分集中于兩端邊緣構件處，并在邊緣構件中配置足夠的橫向箍筋以約束其中的混凝土，可以防止初始的斜裂縫貫穿墻面，使剪力墻的塑性鉸一般出現在底部，為了保證剪力墻在出現塑性鉸后具有較高的延性，在該范圍內需加強構造措施，如增加墻體厚度、設置約束邊緣構件、增加抗剪箍筋、箍筋全長加密等)，提高其抗剪破壞的能力。

4、結語

建筑工程出現的諸多問題，例如汶川地震的發生造成大量的建筑坍塌，說明建筑延性設計對于建筑剛度以及承載負荷起到非常重要的作用，在進行建筑混凝土延性設計，要合理布置構件位置，確保混凝土結構的延性，做好每一個環節的質量控制，才能確保建筑工程質量在遇到地震等自然災害的時候，最大程度的降低危害的發生。

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