鋼筋混凝土結構延性設計要點分析

臧 瑤

（大連都市發展設計有限公司）

鋼筋混凝土結構延性設計要點分析

臧 瑤

（大連都市發展設計有限公司）

建筑物的安全性和抗震能力是由構件的承載力和變形性能、動力響應、結構吸收和耗散能量的多寡共同決定的。結構塑性變形的能力及耗散能量能力的大小決定了鋼筋混凝土結構的延性大小，而保證結構的延性是提高建筑抗震性能的重要措施。

鋼筋混凝土結構；延性設計；要點分析

一、鋼筋混凝土結構延性性能

所謂延性是指結構構件或截面受力超過彈性階段后，在承載力無明顯變化的情況下的后期變形能力，即最終破壞之前經受非彈性變形能力。換而言之，延性實質上是材料、截面、構件或結構保持一定的強度或承載力的塑性變形能力。

延性的大小用延性系數度量：μ=δu/δy，式中δ——構件的應變、截面的曲率、構件和結構的轉角或位移；δu為屈服值，δy為極限值。材料延性是指材料的塑性變形能力，可用材料的本構關系特征參數來定義：μC=εU/εY，式中εU為材料的屈服應變，εY為材料強度沒有顯著降低時的極限應變。

截面曲率延性。以彎曲變形為主的構件進入屈服階段后，塑性鉸的轉動能力與單位長度上蘇醒轉動能力，即轉動能力的曲率延性直接相關。曲率延性系數的計算式為：μ準=準u/準y式中：準u，準y——分別為截面屈服曲率和極限曲率。

在抗震設防地區都應當將鋼筋混凝土框架結構設計成延性結構。這種結構經過中等烈度的地震作用后，加以修復仍可繼續使用，在強地震下不至于倒塌，從而保證人們的生命安全。結構延性在建筑抗震中有以下三點作用：實現塑性內力重分布；防止結構發生脆性破壞；承受非地震作用的偶然荷載。

二、影響鋼筋混凝土結構延性因素

箍筋的構造要求。沿梁的縱向配置封閉的箍筋不但能防止脆性的剪切破壞，還可以對受壓區混凝土起約束作用。受到約束的混凝土，其極限壓應變能提高。箍筋布置得越密，直徑越粗，其約束作用越大，對構件的延性提高也越大。特別是超筋情況，箍筋對延性的影響就更顯著。

鋼筋屈服強度和縱向鋼筋配筋率。隨著鋼筋屈服強度和縱向鋼筋配筋率的提高，混凝土相對受壓區高度增大，截面延性降低。但混凝土受壓區配置受壓鋼筋可減少相對受壓區高度，改善構件的延性。因此應限制縱向受拉鋼筋的配筋率和高強鋼筋的使用，以保證結構有足夠的延性。

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有較高的延性。規范規定，對于框剪相應于一、二、三級抗震時，軸壓比限值分別為 0.7、0.8、0.9。在此規定的軸壓比限值是指柱軸壓比設計值與柱軸壓比承載力設計值的比值。

剪跨比λ。剪跨比是影響梁、柱極限變形能力的主要因素之一，反映了構件截面承受的彎矩與剪力的相對大小，對構件的破壞形態具有重要影響。根據剪跨比可將柱分為長柱（λ≥2）、短柱（1.5≤λ≤2）、極短柱（λ≤1.5）。通過大量試驗得知：長柱時單調荷載特別是低周反復荷載作用下一般發生延性較好的彎曲破懷，而短柱則一般發生延性較差的斜截面收件破壞、脆性破壞較矩形顯著。

材料強度。混凝土強度直接影響結構抗剪承載力，特別是節點核心區因混凝土強度不足而開裂后破壞，提高混凝土強度等級則可提高節點核心區的承載力。不過對于承受一定荷載的框架，混凝土強度過高，則梁、柱的截面尺寸就會減小，混凝土的抗剪截面也相應減小。在一定配箍率下，其抗剪承載力會有所下降，對其抗震性能反而不利；如果采用高強度混凝土，而目前有些施工單位的施工水平受限，事實上很難達到設計要求的強度等級。鋼筋變形直接影響結構的延性，為使結構在產生塑性鉸時有良好的變形能力來吸收或消耗能量，應使用延展性較好的鋼筋。

三、鋼筋混凝土結構抗震延性設計

明確等級。影響地震作用及結構側移大小的因素有以下三點：建筑場地越軟時，地震作用越大，建筑物的側移越大；地震烈度越高時，地震作用越大，建筑物的側移越大；建筑物高度越高時，地震作用越大，建筑物的側移越大。

設計原則。結構延性設計要遵循一定的原則，平面布局要有規則性，豎向剛度的連續性，以“強節點，弱錨固”、“強剪弱彎”、“強柱弱梁”的延性框架進行設計，并輔以必要的構造措施來保證結構局部薄弱區域的強度和剛度，以加強結構整體性，增大延性，提高變形能力，體現“大震不倒”的思想。

首先，強節點，弱錨固。為保證框架結構的延性，在梁鉸機構充分發揮作用以前，框架節點、縱筋錨固不應過早破壞，框架節點破壞主要是因為節電出核心區箍筋數量不足，在建立和壓力的共同作用下，節點核心區混凝土出現斜裂縫，箍筋屈服至拉斷，柱的縱筋被壓屈以至拉斷而引起的。故規范通過保證核心區混凝土強度及配置足夠數量的箍筋，來防止節點核心區的過早剪切破壞，而強錨固要求則通過在靜力設計錨固長度的基礎上疊加一定的抗震附加錨固長度，利用鋼筋錨固段的機械錨固措施來實現的。

其次，強剪弱彎。框架結構的延性與均件的破壞形態有關，框架的抗震設計應遵循“強剪弱彎”的設計原則，以減少在非彈性變形時發生剪切破壞的可能性。框架結構的“強剪弱彎設計”原則主要是由設計剪力的計算、抗剪承載力計算公式的選取以及必要的構造措施來實現。設計建立的計算與抗彎承載力的計算相類似，按抗震等級的不同采用地震效應調整系數，但與抗彎承載力計算相比較更為嚴格，以相對提高抗彎承載力。同時為減少框架梁柱在非彈性反應趨于發生剪切破壞的危險，梁柱端部的設計剪力應與梁柱端部形成塑性鉸后的極限抗彎強度相對應，抗剪計算公式的選取主要表現為考慮地震作用的反復性及剪切問題的離散性，采用在縱筋屈服后的偏下限抗彎承載力計算公式，并輔以抗震構造措施。

最后，強柱弱梁。框架結構的延性與塑性鉸分布的部位有關，若梁中先出現塑性鉸形成梁鉸結構，則塑性鉸分布較均勻，每個塑性鉸所要求的彈性變形量也較小，而且兩端結構的延性要求也比較容易實現。而若柱中出現塑性鉸而形成柱鉸結構，非彈性變形就集中在某一層的柱中，對柱的延性提出極高的要求，二者往往很難實現，且柱鉸機構伴隨較大的層間位移，不僅容易引起不穩定問題，還會引起結構承受豎向荷載，導致整個結構坍塌。在經受較大側向位移時，未能確保框架結構的穩定性，并能維持它承受豎向荷載的能力，必須要求非彈性變形一般只限于梁內，即要求在設計荷載下統一節點上柱段截面積限彎矩的綜合大于梁端極限彎矩總和，這就是所謂的強柱弱梁，既保證了框架柱具有足夠的抗彎承載能力儲備，又大大減少了柱段屈服的可能性。

四、結語

延性好的結構，塑性變形能力大，強度或承載能力降低緩慢，從而有足夠大的能力吸收和耗散地震能量，結構破壞過程比較長，破壞前有明顯征兆，若能及早采取措施則可避免傷亡事故發生和建筑物的全面崩潰。延性差的結構，達到最大承載力后承載力迅速降低，變形能力小，破壞時會突然發生脆性破壞，破壞后果較為嚴重，引起結構倒塌。因此，鋼筋混凝土結構延性設計的要點就要做到“小震不壞、中震可修、大震不倒”。

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TU7

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1007–6344（2015）01–0192–01