试论延性钢筋混凝土框架结构的设计要点及其意义

李静娟

试论延性钢筋混凝土框架结构的设计要点及其意义

李静娟

（天津交通职业学院，天津市 300110）

钢筋混凝土抗震结构不仅要满足强度要求，还必须满足延性要求。建筑结构的延性是保证建筑物在受到地震力、风力等荷载的作用下具有一定的耗能能力、产生可控塑性变形破坏、避免突然脆性破坏的主要条件。文章介绍了框架结构概念设计和延性设计的意义，通过分析多次震害框架结构破坏特点，提出了延性设计的一些思路和方法。

钢筋混凝土框架；抗震设计；延性结构；变形能力

地震具有随机性、不确定性和复杂性，要准确预测建筑物所遭遇地震的特性和参数，目前是很难做到的。但是对历次的震害分析，结构具有良好的延性有助于减小地震作用，吸收与耗散地震能量，避免结构倒塌。结构的延性可定义为结构在承载力无明显降低的前提下发生非弹性变形的能力。结构的延性反映了结构的变形能力，在结构的抗震设计中，延性的大小已作为衡量结构物抗震能力强弱的重要标准之一。

一、框架结构的特点

框架结构由于建筑平面布置灵活，可以取得较大的使用空间，因此，广泛应用于学校、商场、医院及办公类建筑。这类建筑一般为5～10层，柱距均较大，其整体侧向刚度较小，在强烈地震作用下侧向变形较大，易造成部分框架柱失稳破坏，由于赘余度较少，容易形成连续倒塌机制，从而使结构整体倒塌倾覆。

二、框架结构震害分析

通过分析历次地震震害现象我们发现，在我国及其他国家的历次地震中，框架结构的震害情况总体上较砌体房屋轻，但是有相当数量的框架结构发生了较严重的破坏，主要震害现象表现为：结构在强震下整体倒塌；结构薄弱层屈服倒塌；柱端出现塑性铰，未实现“强柱弱梁”屈服机制，几乎没有看到设计规范所要求的“强柱弱梁”破坏机制；梁柱节点区破坏比较普遍；填充墙不合理设置或错层形成短柱剪切破坏；填充墙不合理设置造成结构实际层刚度不均匀，导致底部楼层侧移过大，并导致倒塌；围护结构和填充墙等非结构构件严重开裂和破坏。

三、框架结构抗震设计的基本原则

通过研究历次地震震害，发现有一定数量的框架结构没有明显破坏或者破坏轻微。我们发现这些建筑之所以损坏较轻，与其良好的抗震概念设计密不可分，而结构的延性设计功不可没。为达到良好的抗震性能，设计人员应把握以下原则。

1．采用合理的建筑平立面

建筑物的动力性能基本上取决于其建筑布局和结构布置。建筑布局简单合理，结构布置符合抗震原则，就能从根本上保证房屋具有良好的抗震性能。

2．提高延性设计

我们知道结构延性和耗能的大小，取决于构件的破坏形态及其塑化过程，弯曲构件的延性远远大于剪切构件，构件弯曲屈服直至破坏所消耗的地震输入能量，也远远高于构件剪切破坏所消耗的能量。因此，结构设计应力求避免构件的剪切破坏，争取更多的构件实现弯曲破坏。

（1）强柱弱梁框架。延性结构在中震下就会出现塑性铰，应控制塑性铰出现的部位，使结构具有良好的通过塑性铰耗散能量的能力，同时还要有足够的刚度和承载能力以抵抗地震。在设计延性框架时，要控制塑性铰，使之在梁端出现（不允许在跨中出塑性铰），尽量避免或减少柱子中的塑性铰，这一概念称为强柱弱梁。如梁端出现塑性铰，则数量多但结构不至形成机构；如果在同一层柱上下端出现塑性铰，该层结构将不稳定而倒塌，抗震结构应绝对避免这种薄弱层。柱是压弯构件，轴力大，其延性不如受弯构件；而且作为结构的主要承重构件，柱子破损不易修复，也容易导致结构倒塌，将引起严重后果，因此，延性框架应设计成强柱弱梁结构。

（2）强剪弱弯构件。必须保证梁、柱构件具有足够的延性，其要害是防止构件过早出现剪切破坏，即要求按强剪弱弯设计构件，并采取措施使构件中塑性铰出现后还有足够大的塑性变形能力。

（3）强节点、强锚固。必须保证各构件的连接部位不过早破坏，这样才能充分发挥构件塑性铰的延性作用。连接部位是指节点区，支座连接和钢筋锚固等。因此，延性框架中应设计强节点、强锚固。始终遵循“强柱弱梁，强剪弱弯、强节点、强锚固”原则。构件的破坏和退出工作，使整个结构从一种稳定体系过渡到另外一种稳定体系，致使结构的周期发生变化，以避免地震卓越周期长时间持续作用引起的共振效应。

四、延性框架结构设计应注意的具体问题

通过大量震害调查、试验、理论分析和设计实践，实现延性框架设计的要点如下：

1．结构体系宜具有多道抗震防线，应避免因部分结构或构件破坏而导致整个体系丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力

纯框架结构仅为一道抗震防线，合理设置填充墙不仅可显著增大框架结构的抗震承载力，还可以作为框架结构的第一道抗震防线，使框架结构形成具有二道抗震防线的抗震体系。

（1）合理设置填充墙。我们知道，普通填充墙并不能称之为第一道防线，但可通过合理的构造措施实现，如设置构造柱、水平系梁、拉结钢筋等，提高填充墙的变形能力，包括抗裂能力和抗倒塌能力。填充墙在中震下发生一定程度的开裂应属于正常，但应控制在可修范围，并且应保证大震下填充墙不倒塌。在小震和中震下，填充墙与框架部分共同承担地震作用，并允许中震下填充墙部分开裂，大震下填充墙严重开裂，基本退出工作，整体结构抗侧刚度显著降低，主要由框架部分继续承担地震作用。这种组合墙应作为整体结构抗震的组成部分，在整体结构的抗震分析和设计中就要给予考虑，且相应的构造措施也要予以保证，并在施工中落实。

（2）增加柱间钢斜撑或柱子两侧增加钢筋混凝土翼墙。既然框架柱这种竖向构件来抵抗巨大的水平地震作用会很不利，直接通过大幅增加柱截面和纵筋、箍筋配筋率来实现“强柱弱梁”，这样的柱估计要做得非常大；不如直接考虑优化结构体系为好。可以采用在柱间布置钢斜撑，用这些斜撑来抵抗地震的水平力。注意到汶川地震灾区的一些工业厂房，由于布置了斜撑，虽然有的斜撑已经被压曲或拉断，但实际上框架柱得到了保全，实现了大震时主体结构“大震不倒”的目标。日本的许多框架结构就采用了这种做法，对建筑影响也较小，用在既有结构加固上也方便，很容易推广。柱子两侧增加钢筋混凝土翼墙，计算时仍按框架结构考虑，翼墙只作为第一到防线，吸收地震能量，防止柱子破坏，导致整个结构倒塌，近年的地震，如台湾的集集地震和汶川地震都验证了这一点。

2．减少梁端超配，实现强柱弱梁

在强震作用下，框架结构实现“强柱弱梁”的条件是，梁柱节点处柱端实际受弯承载力之和Mcua大于梁端实际受弯承载力之和Mbua，即Mcua≥Mbua。但由于各种因素导致梁端实际抗弯承载力大与柱端承载力，难以形成强柱弱梁。实际设计中，应充分考虑以下因素避免梁端钢筋超配：

（1）如果不考虑楼板内钢筋对框架梁端抗弯承载力的贡献，楼板有效翼缘内的钢筋属于超配。

我国规范中虽然对竖向荷载作用下梁的刚度考虑了楼板的增强作用，将中梁和边梁刚度一般分别放大到原来的2倍和1．5倍，但对框架现浇楼板内与梁肋平行的钢筋参与梁端负弯矩承载能力的问题没有做出明确规定。目前国内研究人员通过实验和计算分析，带有翼缘的框架梁由于翼缘内平行于梁肋的钢筋参与受力，使得节点支座处的实际负向屈服弯矩比无翼缘梁的实测值提高了30%左右，已经超过很多情况下柱端弯矩增大系数所包含的梁超强富余。

（2）梁底配筋由梁跨中正弯矩控制时，跨中梁底钢筋过多伸入梁端柱内锚固，导致梁端正弯矩钢筋超配。

（3）实际工程中，梁端实配钢筋通常大于计算钢筋，也导致“超配”。

（4）填充墙等非结构构件影响

实际工程中，围护墙和填充墙通常直接在框架梁上砌筑，与框架梁共同受力，显著减小框架梁弯曲变形，增大框架梁的刚度和抗弯承载力。解决梁端“超配”的根本办法是按梁端“实配”验算。实际配筋时可考虑降低梁端负弯矩区配筋面积或提高柱端配筋面积以实现“强柱弱梁”。在目前计算手段下，实现这一方法是不困难的。

3．在抗震设计中重视框架柱的延性设计

框架柱承受压力、弯距和剪力的共同作用，是一种复杂的受力体系，在历次地震中，框架结构的柱子的破坏程度要重于梁板，因此框架柱的抗震设计关系个整个结构的性能优劣。

地震作用下框架柱的破坏一般发生在柱上下端，且梁顶柱底较多，柱端常出现水平或斜裂缝，严重时柱端混凝土压碎，钢筋压曲。角柱破坏或中柱和边柱严重。短柱剪切破坏在地震中很普遍。为了保证框架柱有足够的承载力和必要的延性，在具体设计过程中必须考虑以下几个方面的因素：

（1）在确定方案和布置结构时，应尽量避免短柱，并避免在同一层中同时存在短柱和长柱，否则需要采取特殊措施。

（2）柱内优先配置螺旋箍筋。汶川地震震害调查发现，配置螺旋箍筋的框架柱延性要明显优于复合箍筋柱，在配箍率大体相当的情况下，选择螺旋箍筋有利于结构抗震性能。

（3）控制框架柱的轴压比不能过高。规范对框架柱的轴压比限值过高使得框架柱的截面尺寸偏小等。虽然设计满足规范要求，但是当框架柱是按较高的轴压比限值控制设计时，在高轴压比情况下，在水平荷载施加之前，柱子己经产生了较大的预压应变，预压应变降低截面的塑性转动能力，使构件的延性变差，所以轴压比限值不能定的过高。加之其他不利因素的综合效果，极易导致框架柱出铰，甚至造成倒塌。这次汶川地震中，很多框架结构的破坏和倒塌大多属于这类情况，特别是空旷的纯框架结构建筑。

五、结论

结构工程抗震问题不能完全依赖“计算设计”解决。应立足于工程抗震基本理论及长期工程抗震经验总结的工程抗震基本概念，从“概念设计”的角度着眼于结构的总体地震反应，按照结构的破坏过程，灵活运用抗震设计准则，全面合理地解决结构设计中的基本问题，既注意总体布置上的大原则，又顾及到关键部位的细节构造，从根本上提高结构的抗震能力。才能 实现“大震不倒、中震可修、小震不坏”的设防目标。

［1］黄世敏．建筑震害与设计对策［M］．北京：中国计划出版社，2009．

［2］汶川地震建筑震害调查与灾后重建分析报告［M］．北京：中国建筑工业出版社，2008．

Design Features and Significance On t he Ductile Reinf orced Concrete Fra me Str uctur e

LI Jing－juan

（Tianjin Transportation Vocational College，Tianjin 300110 China）

The seismic structure of reinforced concrete meets not only the strength requirements but also the ductility requirements．The ductility of building str uctures is to ensure that buildings have a certain energy dissipation capacity and defor mation to avoid sudden brittle damage in the earthquake and fierce wind．This thesis introduces the significance of frame str ucture design and ductile design．It also puts for ward some ideas and methods of ductile design by analyzing some damaged situations in the earthquakes．

reinforced concrete frame；seismic design；ductile str ucture；defor mation

TU375

A

1673－582 X（2011）11－0070－04

2011－05－25

李静娟（1969－），女，河北唐山人。天津交通职业学院路桥系高级工程师，硕士学位，主要研究方向为结构工程。