摘要：钢筋混凝土抗震结构延性设计一直是抗震设计的核心问题，抗震设计到目前为止仍不成熟，很大程度靠工程师的判断，本文从结构与构件两个角度分析了影响钢筋混凝土抗震结构延性的主要原因，并提出了解决方法。为工程师在实际工程中准确把握钢筋混凝土抗震结构延性设计提供了新的思路。
关键词：抗震结构，钢筋混凝土结构，延性设计
我国抗震设计性能目标就是为实现“小震不坏”、“中震可修”、“大震不倒”三大性能为目标。“小震不坏”就是当建筑遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，一般不受损坏或不需要修理可继续使用；“中震可修”就是当建筑遭受本地区设防烈度地震影响可能损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用；“大震不倒”就是当建筑遭受高于本地区设防烈度的预估的罕遇地震影响时不至倒塌或者发生危机生命的严重破坏。对于“小震不坏”我国抗震规范用弹性计算，即极限承载力计算和小震下的弹性变形计算来保证实现“小震不坏”的性能目标，对于“中震可修”我国抗震规范着重强调采用抗震措施与抗震构造措施来实现这个性能目标，也就是通过延性设计来保证“中震可修”。对于“大震不倒”我国抗震规范除了延性设计外，还需要进行罕遇地震下的结构弹塑性变形验算来实现目标。可见，相对于小震下的弹性计算，我国规范并没有大幅度提高中震与大震作用下的结构构件承载力，我国抗震设计的本质上是低承载力、高延性的设计思路。下面，笔者就从结构与构件两个方面阐述延性设计的基本思路。
一、钢筋混凝土建筑结构延性设计
影响钢筋混凝土建筑结构延性主要有以下九方面的因素：合理选择结构体系，是否采用多道防线的结构体系，建筑规则性控制，先梁铰后柱铰的结构耗能机制，保证必要的结构刚度限制结构变形。节点连接的承载力和刚度要与构件的承载力和刚度相适应。合理考虑承载力与延性关系，在构件设计方面采取有效措施防止过早的剪切、锚固和受压等脆性破坏，地基基础的承载力和刚度要与上部结构相适应并应有足够的抗转动能力。
1. 合理选择结构体系：对于钢筋混凝土结构，一般说来纯框架结构抗震性能较差；框架－剪力墙结构抗震性能较好；剪力墙结构和筒体结构具有良好的空间整体性，刚度也较大，历次震害中破坏都较小。
2. 多道防线的结构体系：由于地震有一定的持续时间而且可能是多次作用，为了增强结构的抗倒塌能力，抗震设计应使结构具有多道防线，如框架结构中的梁和柱，框剪结构的连梁、剪力墙和框架，剪力墙结构的连梁和墙肢等，第一道防线是在地震作用下首先进入屈服而进行耗能的主要构件，它们不应该是承受竖向荷载的主要构件但必须具有良好的延性。对于抗震等级较低的结构主要考虑第一道防线，而对于较高的抗震等级则应考虑更多的防线。
3. 建筑规则性控制：钢筋混凝土结构设计中，结构倾的刚度要均匀连续分布适应结构的反应要求，结构某一部位超强或者承载力不足，在地震作用下都可能形成结构的相对薄弱部位而导致破坏。以上不仅仅是对主体结构而言，非结构墙体的不规则和不连续布置也会引起同样的后果。底层相对薄弱比上层薄弱更为不利。要控制刚度和承载力变化幅度，进行必要的变形分析。
4. 先梁铰后柱铰的结构耗能机制：要控制结构的屈服部位尽可能实现理想的机制，也就是横向构件屈服而竖向构件除根部外均处于弹性。例如框架结构要求强柱弱梁，剪力墙结构要求强墙肢弱连梁等。要完全实现理想的机制，需要有较大的强弱差别，在设计中可以按照不同的抗震等级适当的掌握。
5. 保证必要的结构刚度限制结构变形：在地震作用下结构的变形包括层间位移和顶点位移两方面。层间位移主要是影响钢筋混凝土构件开裂，塑性铰发展以及非结构部件破坏。顶点位移主要是影响结构的整体稳定、防震缝的必要宽度以及小震时人的感觉等。高层建筑的基础转动对顶点位移有较大影响，因此基础结构必须有足够的整体刚度和抗转动能力。
6. 节点连接的承载力和刚度要与构件的承载力和刚度相适应：节点的承载力应大于被连接构件的全截面承载力。要从构造上采取措施避免节点的刚度和承载力过早退化，导致结构变形过大而失稳破坏。
7. 合理考虑承载力与延性关系：解决高层建筑抗震问题除了按延性设计外，另一途径是按接近弹性设计，也就是使结构有较大的抗震承载力，这样就可以降低延性要求或只需要对主要耗能部位适当考虑延性。这对于风荷载较大的低烈度区是可行的。例如沿海六度区，考虑抗风已经具有一定抗侧力能力，少量提高承载力就可使抗震设计接近弹性，对于不规则结构的抗震性能使有利的。
高层建筑的某些抗震不利部位如底层刚度和承载力有突变，不规则平面的关键部位，可以从承载力和延性两方便采取措施。也就是一方面适当提高承载力推迟屈服；另一方面采取措施提高延性，避免屈服后过早破坏。
8. 在构件设计方面采取有效措施防止过早的剪切、锚固和受压等脆性破坏：构件的受剪承载力要大于弯曲屈服时的相应剪力，也就是“强剪弱弯”。构件的压应力或剪应力过高会降低延性，导致脆性破坏，因此要限制截面的压应力和剪应力在材料强度的一定比例之内，约束混凝土可以保证混凝土开裂后仍能保持一定受压，受剪能力，因此在构件的预期塑性铰区设置足够的约束箍筋是非常有必要的。在强震作用下构件塑性铰区的钢筋可以承受拉、压应力，引起钢筋滑移，造成刚度与承载力的退化，因此对锚固有严格要求。构件塑性铰区的保护层在地震作用下经常脱落，因此，不能依靠保护层来保证钢筋的锚固。
9. 地基基础的承载力和刚度要与上部结构相适应并应有足够的抗转动能力：高层建筑基础抗震设计的要求是在上部结构进入屈服实现耗能机制的条件下，基础和地基应能承受上部结构的倾覆弯矩、剪力和轴力，而基础结构始终保持在弹性阶段，因此基础结构必须有足够的安全储备，对于有多层地下室的结构，基础结构也包括地下室结构。
高层建筑在地震作用下引起较大的倾覆力矩。基础结构应有足够的整体刚度和埋深以保证结构的抗侧力稳定性。基础埋深对降低上部结构的反应及减少地震作用引起的基底附加压力有直接的影响。基础埋深和地基土质、基础做法与地震烈度有关，较弱的地基或较高烈度要求较大的埋深，坚实地基或采用桩基可以适当减小埋深。高层建筑地下室结构设计应依据上部结构嵌固部位，进行相应内力分析、配筋设计和采取不用的抗震措施。
二、钢筋混凝土建筑构件延性设计
延性对抗震来说是极其重要的一个性质，我们要想通过抗震措施来保证结构的延性，那么就必须清楚影响延性的因素。对于梁柱等构件，延性的影响因素最终可归纳为最根本的两点：混凝土极限压应变，破坏时的受压区高度。影响延性的其他因素实质都是这两个根本因素的延伸。如受拉钢筋配筋率越大，混凝土受压区高度就越大，延性越差；受压钢筋越多，混凝土受压区高度越小，延性越好；混凝土强度越高，受压区高度越低，延性越好（但如果混凝土强度过高可能会减小混凝土极限压应变从而降低延性）；对柱子这类偏压构件，轴压力的存在会增大混凝土受压区高度，减小延性；箍筋可以提高混凝土极限压应变，从而提高延性，但对于高强度混凝土，受压时，其横向变形系数较一般混凝土明显偏小，箍筋的约束作用不能充分发挥，所以对于高强度混凝土，不适于用加箍筋的方法来改善其延性。此外，箍筋还有约束纵向钢筋，避免其发生局部压屈失稳，提高构件抗剪能力的作用，因此箍筋对提高结构抗震性能具有相当重要的作用。根据以上规律，在抗震设计中为保证结构的延性，常常采用以下措施：控制受拉钢筋配筋率，保证一定数量受压钢筋，通过加箍筋保证纵筋不局部压屈失稳以及约束受压混凝土，对柱子限制轴压比等。
从以上分析可以看出，钢筋混凝土结构延性设计必须从结构和构件两个层面采取加强措施才能实现我国对于抗震建筑的性能设计要求。随着抗震研究的理论与实践的进一步发展和完善，钢筋混凝土抗震结构的延性设计一定会新的发展和突破，让我们一起拭目以待。
