钢筋混凝土结构抗震延性设计分析

【关键词】钢筋混凝土结构；结构构件；延性设计 

　　0.前言 

　　在现代建筑物结构设计中，延性设计越来越重要，钢筋混凝土结构延性的研究是塑性设计和抗震设计理论发展的基础。在地震作用下，混凝土结构或构件的破坏可分为脆性破坏和延性破坏两种，其中脆性破坏的危害很大，而延性破坏是指构件承载力没有显著降低的情况下，经历很大的非线性变形后所发生的破坏，在破坏前能给人以警示。结构构件延性设计的目标是使其在一定条件下只耗能，不崩溃。结构延性的提升能够使整体结构抗倒塌、抗震潜力都得到大幅度提升，借助塑性铰区域变形将地震能量有效耗散与吸收[1]。 

　　对于混凝土构件，除了要满足强度、刚度、稳定性等方面的要求还应具有良好的延性，主要以下原因引起：（1）延性破坏过程；（2）调整和适应动力荷载产生的附加内力和变形；（3）混凝土连续梁板和框架超静定结构塑性设计，要求某些截面能够形成塑性铰，实现内力重分布；（4）抗震设防要求的结构，具有良好的延性，能够吸收和消化地震能量，降低动力反应，减轻地震破坏，防止结构倒塌。 

　　延性设计在实际工程中有重大的意义：第一，采用偏小的计算安全可靠度，破坏前有明显预兆，确保生命安全，减少财产损失；第二，出现偶然超载，荷载反向，温度升高或基础沉降引起附加内力等情况下，有较强的承受和抗衡能力；第三，有利于实现超静定结构的内力重分布。第四，在承受动力作用下，能减小惯性力，吸收动能，降低动力反应，减轻破坏程度，防止结构倒塌。因此，延性结构的后期变形能力，可以作为各种意外情况时的安全储备[2]。 

　　1.影响构件延性的因素 

　　1.1梁截面尺寸 

　　一般框架梁宽度不宜小于200mm，在地震作用下，梁端塑性铰区混凝土保护层容易剥落，梁截面宽度过小则截面损失比较大，不利于对框架节点的约束。为了提高节点剪力、避免梁侧向失稳破坏以及梁塑性变形的能力，要求梁宽不宜小于柱宽的1/2、梁的高宽比不宜大于4、梁的跨高比不宜小于4[3]。 

　　1.2纵向钢筋配筋率 

　　试验表明，当梁纵向受拉钢筋配筋率很高时，在弯矩达到最大值时，弯矩-曲率曲线出现下降；当配筋率较低时，弯矩达到最大值后能保持很长的水平段，提高了梁的延性和耗散能量的能力。当梁的纵向配筋率取为平衡配筋率时纵向受拉钢筋屈服与受压区混凝土压碎同时发生，截面延性系数为零。因此，应限制纵向受拉钢筋配筋率，保证构件具有足够的延性。混凝土受压区配置受压钢筋，可以减少相对受压区高度，改善构件延性。 

　　1.3材料的强度 

　　提高混凝土的强度，则降低构件的轴压比，可以提高构件的位移延性。在纵向配筋率相同的条件下，提高混凝土标号等于减少钢筋在换算截面中所占的比重，也就意味着纵向钢筋配筋率的减少，反而会使位移延性降低。 

　　1.4轴压比 

　　试验表明，轴压比是影响压弯构件位移延性的最重要因素。当轴压比过大时，使压弯构件中钢筋的压应变增大，因此，截面必须转动更大的角度才能使受拉区钢筋屈服，这使屈服位移大大增加，从而导致构件延性的大幅降低。 

　　1.5约束构件延性 

　　在受压构件或压弯构件中配置封闭式箍筋、螺旋筋等密排横向钢筋，能约束混凝土的横向变形，提高构件的承载力和极限变形能力，使混凝土构件在极限荷载下具有良好延性性能。不同形式的箍筋对核心区混凝土的约束作用是不同的，螺旋箍筋对核心区混凝土产生均匀分布的侧向压力，使混凝土处于三向受压状态，因此配有螺旋箍筋的构件，其延性好于配有矩形箍筋的构件。另外箍筋间距较小的构件有着较高的延性。 

　　2.钢筋混凝土结构的延性保证 

　　钢筋混凝土结构中钢筋的塑性变形性能、混凝土的韧性及钢筋与混凝土的粘结锚固性能对结构的延性影响较大。构件的纵筋易选用延伸率较大、与混凝土粘结性能好的Ⅱ、Ⅲ级钢筋。采用冷拉钢筋、高强钢筋（丝）和钢绞线等延伸率较低的钢筋配制预应力混凝土结构，只要适当配置热轧非预应力钢筋、保证配筋指数不超过一定限制和适当提高箍筋构造要求，结构的延性也可满足抗震要求。 

　　2.1框架柱对延性的构造要求 

　　梁端区域能通过采取抗震构造措施而具有相对较高的延性，常通过“强柱弱梁”措施引导框架中的塑性铰首先在梁端形成。设计框架梁时，控制梁端截面混凝土受压区高度的目的是控制梁端塑性铰区具有较大的塑性转动能力，以保证框架梁端截面具有足够的曲率延性。梁的延性随截面受压区高度减小而增大，根据国内的试验研究结果和参考国外经验，当相对受压区高度控制在0.25～0.35时，梁的位移延性可达到4.0～3.0左右。所以规范规定，一级抗震等级时，χ≤0.25ho，二、三级抗震等级时，χ≤0.35ho，并且要求受压钢筋与受拉钢筋之比控制在一定范围内。为防止过多的纵向受拉钢筋在地震中使梁产生粘结劈裂破坏，规范还规定ρs≤2.5%[4]。 

　　2.2框架柱对延性的构造要求 

　　柱的轴压比是影响框架结构延性的重要因素。柱的延性随轴压比增大而减小，轴压比超过界限值将发生小偏压脆性破坏。在抗震设计中应控制柱的轴压比不超过限值，使其发生大偏压破坏并具有一定延性。抗震规范规定，对于框架柱相应于一、二、三级抗震时，轴压比限值分别为0.65、0.75、0.85。这里规定的轴压比限值系指柱轴压力设计值与柱轴压承载力设计值得比值。为防止地震作用下柱子少筋脆性破坏和超筋粘结劈裂破坏，柱的纵向配筋率不得少于0.8%、0.7%、0.6%、0.5%（相应于一、二、三、四级抗震等级），角柱的上述限值相应提高0.1%；柱的纵向配筋率最大间距不宜超过200mm[5]。 

　　2.3箍筋的构造要求 

　　箍筋提供构件和节点的抗剪能力，确保实现“强柱弱梁”和“强节点、强锚固” 设计目的，还对梁、柱塑性铰区混凝土和受压钢筋提供约束作用，延缓塑性铰的破坏过程，从而改善结构的延性和耗能能力。梁和柱的剪切破坏区和弯压塑性铰区均发生在构件的两端，因此应加密构件两端的箍筋。加密区的构造要求包括加密区的长度、箍筋最小直径、最大间距和最小体积率。其中柱加密区和节点的箍筋最小体积率与抗震等级、柱的轴压比和箍筋的类型有关。抗震等级高要求的最小体积率高、轴压比高要求的最小体积率高，采用普通箍筋比采用螺旋箍筋要求的体积率高。可见，箍筋的构造规定是保证“大震不倒”设计目标实现的最重要的措施。 

　　3.结语 

　　综上所述，建筑物越高，对地震反应也越大，对延性的要求也越高。延性设计的正确实现是当今地震设防地区急需解决的问题之一，我们需要进一步加深研究结构在动力荷载作用下的反应机理，探索提高结构延性的有效方法，使建筑物既能达到国家抗震设计标准，又能够符合经济合理的原则。 [科] 

　　【参考文献】 

　　[1]付海斌.结构延性与抗震设计的相关研究[J].建材发展导向，2012，（03）. 

　　[2]李宏.建筑结构延性抗震设计分析[J].科技创新导报，2010，（03）. 

　　[3]彭超.谈框架结构延性的抗震设计[J].四川建材，2010，（03）. 

　　[4]GB50010—2010，混凝土结构设计规范[S]. 

　　[5]GB50011—2008，建筑抗震设计规范[S].