浅谈延性钢筋混凝土框架结构抗震设计

梁亚楠

辽河石油装备制造总公司

浅谈延性钢筋混凝土框架结构抗震设计

梁亚楠

辽河石油装备制造总公司

钢筋混凝土框架结构具有良好的抗震性能,结构抗震的本质就是延性,提高延性可以增加结构抗震潜力,增强结构抗倒塌能力。结构主要靠延性来抵抗较大地震作用下的非弹性变形。本文分析了延性钢筋混凝土结构在抗震设计中的要点及其意义,影响结构延性的主要因素以及结构延性的抗震设计。

延性；框架结构；抗震设计

随着1976年唐山地震和2008年汶川地震给人们带来的危害和教训，表明搞好结构的抗震设计尤为重要。地震灾害具有突发性，至今可预见性仍然很低，它给人类社会造成损失严重，是各类自然灾害中最严重的灾害之一。根据我国现有的科学水平和经济条件，对建筑抗震提出了“三个水准”的设防目标，即通常所说的“小震不坏，中震可修，大震不倒”。 为实现抗震设防目标，结构除必须有足够大的承载力和足够的刚度外，还必须具有足够的延性和耗能能力。

在我国现在的多高层建筑中,钢筋混凝土结构应用最为普遍,其中钢筋混凝土框架结构是最常用的结构形式。因为其具有足够的强度、良好的延性和较强的整体性,目前广泛用于地震设防地区。钢筋混凝土框架结构具有良好的抗震性能,然而未经合理设计的框架结构会在地震作用下产生较严重的震害。结构抗震的本质就是延性, 延性是指构件和结构屈服后,在承载能力不降低或基本不降低的情况下,具有足够塑性变形能力的一种性能,一般用延性比来表示。提高延性可以增加结构抗震潜力,增强结构抗倒塌能力。延性结构通过塑性铰区域的变形,能够有效地吸收和耗散地震能量；同时,这种变形降低了结构的刚度,致使结构在地震作用下的反应减小,也就是使地震对结构的作用力减小。当结构设计成为延性结构时,由于塑性变形可以耗散地震能量,结构变形虽然会加大，但结构承受的地震作用不会很快上升,内力也不会再加大，因此具有延性的结构可降低对结构的承载力要求，也可以说，延性结构是用它的变形能力来抵抗罕遇地震作用；反之，如果结构的延性不好，则必须有足够大的承载力抵抗地震。

在建筑体形和结构布置确定后，实现延性框架成为结构抗震设计的关键。主要包括三个方面：⑴ 通过调整构件之间承载力的相对大小，实现合理的屈服机制，即“强柱弱梁”、“强核芯区弱构件”；⑵通过调整构件斜截面承载力和正截面承载力之间的相对大小，实现构件延性破坏形态，即“强剪弱弯”；⑶通过采取抗震构造措施，使构件自身具有大的延性和耗能能力。在结构设计中我们从以下几方面实现钢筋混凝土框架的延性。

一、实现梁铰机制，避免柱铰机制

梁铰机制也称整体机制，是指塑性铰出现在梁端，除柱脚外，柱端无塑性铰；柱铰机制 也称局部机制，是指在同一层所用柱的上、下端形成塑性铰。设计中，通过调整汇交在同一节点的梁端截面受弯承载力与柱端截面的正截面承载力的相对关系实现梁铰机制：同一节点上、下柱端截面的弯矩设计值之和，大于两侧梁端截面实配钢筋计算得到的受弯承载力之和，即ΣΜc= ηΣΜbuc(其中，η为大于1.0的系数。)

二、“强柱弱梁”设计原则——控制塑性铰的位置

在地震作用下，框架中塑性铰要出现在梁上，不允许出现在梁的跨中。梁的跨中出现塑性铰将导致局部破坏。在梁端的塑性铰必须具有延性，才能使结构在形成机构之前，可以抵抗外荷载并具有延性。

在框架结构中，塑性铰出现的位置或顺序不同，将使框架结构产生不同的破坏形式。柱中出现塑性铰，不易修复而且容易引起结构倒塌；而塑性铰出现在梁端，却可以使结构在破坏前有较大的变形，吸收和耗散较多的地震能量，因而具有较好的抗震性能。震害调查发现，凡是具有现浇楼板的框架，由于现浇楼板大大加强了梁的强度和刚度，地震破坏都发生在柱中，破坏较严重；而没有楼板的构架式框架，裂缝出在梁中，破坏较轻,从而也证实强梁弱柱引起的结构震害比较严重。

此外，梁的延性远大于柱的延性。这是因为柱是压弯构件，较大的轴压比将使柱的延性下降，而梁是受弯构件，比较容易实现高延性比要求。

因此，较合理的框架破坏机制应是梁比柱的塑性屈服尽可能早发生和多发生，底层柱柱根的塑性铰较晚形成，各层柱子的屈服顺序应错开，不要集中在某一层。这种破坏机制的框架，就是强柱弱梁型框架。

三、梁柱的延性设计

要使结构具有延性，就必须保证框架梁柱有足够的延性，而梁柱的延性是以其截面塑性铰的转动能力来度量的。因此框架结构抗震设计的关键是梁柱塑性铰设计。为此，应遵循：

“强剪弱弯”设计原则。适筋梁或大偏压柱，在截面破坏时可以达到较好的延性，可以吸收和耗散地震能量，使内力重分布得以充分发展；而钢筋混凝土梁柱在受到较大剪力时，往往呈现脆性破坏。所以在进行框架梁、柱设计时，应使构件的受剪承载力大于其受弯承载力，使构件发生延性较好的弯曲破坏，避免发生延性较差的剪切破坏，而且保证构件在塑性铰出现之后也不过早剪坏，这就是“强剪弱弯”的设计原则，它实际上是控制构件的破坏形态。梁、柱剪跨比限制 。剪跨比反映了构件截面承受的弯矩与剪力的相对大小。它是影响梁、柱极限变形能力的主要因素之一，对构件的破坏形态有很重要的影响。 因此柱的剪跨比宜控制在1.5以上。

梁、柱剪压比限制 。当构件的截面尺寸太小或混凝土强度太低时，按抗剪承载力公式计算的箍筋数量会很多，则箍筋在充分发挥作用之前，构件将过早呈现脆性斜压破坏，这时再增加箍筋用量已没有意义。因此，设计中应限制剪压比即梁截面的平均剪应力，使箍筋数量不至于太多，同时，也可有效地防止斜裂缝过早出现，减轻混凝土碎裂程度。这实质上也是对构件最小截面尺寸的要求。

柱轴压比限制。试验研究表明，轴压比的大小，与柱的破坏形态和变形能力是密切相关的。随着轴压比不同，柱将产生两种破坏形态：受拉钢筋首先屈服的大偏心受压破坏和破坏时受拉钢筋并不屈服的小偏心受压破坏。而且，轴压比是影响柱的延性的重要因素之一，柱的变形能力随轴压比增大而急剧降低，尤其在高轴压比下，增加箍筋对改善柱变形能力的作用并不明显。所以，抗震设计中应限制柱的轴压比不能太大，其实质就是希望框架柱在地震作用下，仍能实现大偏心受压下的弯曲破坏，使柱具有延性性质。

钢筋设置。试验表明：钢筋混凝土单筋梁的变形能力，随截面混凝土受压区相对高度的减小而增大，而混凝土受压区相对高度随着配筋率的增大、钢筋屈服强度的提高和混凝土强度等级的降低而增大，延性性能降低。为此，《规范》对一、二、三级抗震等级框架梁的混凝土受压区相对高度和配筋率做出了规定。同时，框架梁还应满足最小配筋率的要求。另外，震害表明，梁端、柱端震害严重，是框架梁、柱的薄弱部位。所以按照强剪弱弯原则设计的箍筋主要配置在梁端、柱端塑性铰区，称为箍筋加密区。在塑性铰区配置足够的箍筋，可约束核心混凝土，显著提高塑性铰区混凝土的极限应变值，提高抗压强度，防止斜裂缝的开展，从而可充分发挥塑性铰的变形和耗能能力，提高柱的延性。

四、延性框架节点抗震设计

框架节点核心区受力比较复杂，在地震和竖向荷载作用下，主要是剪力和压力。节点核心区可能出现的破坏形式有两种：剪压破坏和黏结锚固破坏。核心区的受剪承载力一般都不足，在剪压作用下出现斜裂缝，在地震往复作用下，形成交叉裂缝使混凝土挤碎，纵向钢筋压屈为灯笼状。另一方面，在地震往复作用下，框架梁伸入核心区的纵筋与混凝土间的黏结破坏，导致梁端转角增大，从而增大了层间位移。剪压破坏和黏结锚固破坏都不是延性破坏，核心区不能作为框架的耗能部位。因此，核心区的抗震设计概念是：强核心区和强锚固。主要抗震的构造措施是配置足够的箍筋、梁的上部钢筋应贯穿中间节点和梁的下部钢筋在核心区内应有足够的锚固长度。

实际设计中，为了保证延性钢筋混凝土框架结构的抗震性能，《抗震设计规范》是依据抗震等级对构件本身不同性质的承载力或构件间的相对的承载力进行内力调整，并依据规定的构造要求来达到延性要求。内力调整系数，依据抗震等级不同而异：一级抗震等级以实际配筋为基础进行内力调整；二、三级抗震等级是在设计内力的基础上进行调整。而构造要求，则根据不同的抗震等级，规定出截面形式、尺寸限制、材料规格、配筋率以及构造形式等。所以要想充分发挥延性钢筋混凝土的抗震性能，合理的设计、计算是不可少的。

[1] 李立胜. 钢筋混凝土框架延性设计的理解[J]. 内江科技.2005,(7)

[2] 鲍雷. 钢筋混凝土和砌体结构的抗震设计[J]. 中国建筑工业出版社.1999.

[3] 张敏. 钢筋混凝土框架结构的延性抗震设计[J]. 桂林工学院学报 .2004年01期

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.07.017