试论建筑结构的延性与抗震能力

吕锋

摘要：地震是一种强烈的自然现象，其是威胁人类安全的主要自然灾害之一。为避免它给人类带来大的灾害，这就要求结构工程师不仅要运用好抗震计算分析，而且要重视结构的设计。在进行建筑结构抗震能力设计时， 应该尽可能充分发挥构件的延性， 实现结构整体足够的延性和变形能力， 从而可以有效地降低地震作用，提高建筑结构的抗震能力。

关键词： 建筑结构 变形 抗震

Abstract: earthquake is a strong natural phenomena, which threaten the safety of mankind is one of the major natural disasters. To avoid it brings human big disaster, which requires the structural engineer should not only use good aseismic calculation and analysis, and to pay attention to the design of the structure. In structural seismic design ability should, as far as possible, give full play to the ductility of the component, realize the integral enough ductility and deformation ability, thus can effectively reduce the earthquake action to improve the seismic resistance of building structure.

Keywords: building structure seismic deformation

中图分类号： TU3 文献标识码：A 文章编号：

由于我国是一个地震多发的国家，分布广、频率高、强度大、震源浅，是世界上地震灾害最严重的国家之一。如何使建筑结构在地震中保持较好的质量和安全， 甚至能够延迟倒塌时间， 实现对建筑结构内人员生命起到保护。 传统的防震观点是要求建筑结构具有一定的抗震性能， 在这方面有两种思维方式， 一是提高结构的刚度来抵抗地震作用， 另一种是采用允许结构有一定的柔性变形，从而使其在变形过程中吸收、 释放一定的能量。在不增加重量、 不改变刚度的前提下， 提高总体强度和刚度是两个有效的抗震途径。 刚度的选择有助于控制变形， 强度与延性则是决定结构抗震吸能能力的两个重要参数。大量的震害调查表明， 在高烈度罕遇地震作用下 ,结构均是强度破坏， 这是单纯靠结构刚度增加不能抵御的。而现在以及今后建造的建筑物座落在高烈度地区往往是不可避免的，这样就迫使设计人员要从另一个方面来考虑减震消能。

一、目前我国抗震设计中存在的不足

通过多年对于建筑抗震设计的研究，我国逐渐形成了自己的一套较为先进的抗震设计方法而且日益成熟，但是也有许多考虑欠妥的地方，需要我们今后加以完善。首先，与国外规范相比，我国抗震规范在对关系的认识上还存在一定的差距。美国UBC规范按同样原则来划分延性等级，但在高烈度区推荐使用高延性等级，在低烈度区推荐使用低延性等级。这几种抗震思路都是符合规律的，而目前我国将地震作用降低系数统一取为2．86，而且还把用于结构截面承载能力设计和变形验算的小震赋予一个固定的统计意义。另外，我国规定的“小震不坏，中震可修，大震不倒”的三水准抗震设防目标也存在一定的问题。该设防目标对甲类、乙类、丙类这三类重要性不同的建筑来说，并不都是恰当的。最后，由于不同类别建筑的不同重要性，不宜再笼统的使用以上同一个性态目标。此外，还应该考虑建筑所有者的不同要求，选择不同的设防目标，从而做到在性态目标的选择上更加灵活。

二、 变形能力与地震作用的关系

从能量反应的观点进行分析时，建筑结构在地震作用下将吸收一定的能量， 如果结构构件能够抵抗和耗散的能量大于吸收的能量，则结构不会发生破坏或倒塌。 反过来， 如果结构构件能够抵抗和耗散的能量小于其吸收的能量， 结构则可能发生破环或倒塌。因此， 进行结构抗震设计时， 应该尽可能地使结构构件具有较大的耗能能力。结构构件的变形能力越大， 其耗能能力越大，地震效应越小。

三、构件延性及其保证因素

若以建筑结构不倒塌的变形值作为变形能力的基本要求，当要求结构处于轻微损坏或不损坏时，其变形控制值应缩小到不倒塌变形值的某一比例值。但是， 根据结构所吸收地震能量相等的原则， 其综合抗震能力应基本保持恒定值。据此， 可获得缩小结构变形控制值所对应的结构抗力提高的比例， 即结构地震作用效应 （内力）的提高系数。这是意味着， 在建筑结构抗震设计时， 可利用地震作用效应调整系数来实现不同的变形性能要求。

构件破坏时的变形与屈服时的变形的比值称为构件的延性系数μ=△μ/△y， 延性系数 μ 越大， 则结构在强震作用下可以承受大的塑性变形而不破坏倒塌， 使地震效应减小。因此， 建筑结构设计和配筋构造都要保证它具有足够的延性。通常为保证结构有良好的抗震能力，一般要求 μ>3。构件延性的保证因素有纵向钢筋的配筋率不宜太高； 轴压比不宜太大； 箍筋的间距不宜太大。

四、结构影响变形能力的构造分析

4.1 砌体结构影响变形能力的构造

砌体结构应按规定设置钢筋混凝土圈梁和构造柱、 芯柱或采用配筋砌体等以改善变形能力。可将圈梁和构造柱设置数量、 位置、 截面尺寸和配筋的分级作为重点， 而局部墙体尺寸等只考虑其局部影响。

4.2 钢筋混凝土结构影响变形能力的构造

钢筋混凝土构件，应合理选择尺寸，配置纵向受力钢筋和箍筋， 避免剪切破坏先于弯曲破坏， 混凝土的压匮先于钢筋的屈服，钢筋的锚固粘结破坏先于构建破坏。可将内力调整、 柱纵向钢筋和箍筋体积配箍率、抗震墙墙体边缘构件的布置和构造作为分级的重点， 而短柱、 框支层、 连梁的构造作为局部的影响。在同样设防烈度和同样的性能要求下， 对层数不同的钢筋混凝土结构， 其基本延性构造要求仍需不同。在此内力调整、 纵筋总配筋率和箍筋体积配箍率等均已有现成的分级和定量取值，只需研究如何转为相应的影响系数。

4.3 钢结构影响变形能力的构造

由于钢材比钢筋混凝土质量轻、 柔韧性大、 连接可靠、 结构整体延性好，所以在建筑中特别是厂房和高层建筑中采用钢结构对于提高建筑的防震有很好的效果。可将内力调整、 节点域构造、 构件长细比和支撑设置等作为分級的重点， 而构件宽厚比作为局部影响。在同样设防烈度和同样的性能要求下， 对层数不同的钢构， 其基本延性构造要求也需不同。现行高层民用钢筋结构规程也有一些现成的定量取值，同样需研究将其转化为影响系数的方法。

五、整体结构延性与局部构件延性的联系

按照建筑结构抗震概念设计的要求，结构各部位性能的优劣对整个结构抗震能力的影响程度是不同的。评价时必须区分关键部位和一般部位， 需要寻找一套方法， 用以建立整个结构变形能力与各部位变形能力之间的联系。

对于多层， 尤其是高层和超高层建筑， 各层的基本要求应予以区别。通常可分为上、 中、下三大部分； 对于竖向不规则的建筑结构， 其明显的抗震薄弱层， 如框支层、 刚性层、 出屋面建筑要有专门的基本要求； 对于平面不规则的建筑结构， 其地震扭转效应明显的部位， 也要有专门的基本要求。把结构中不同部位的基本要求转化为该部位各个构件延性构造的基本要求。最后落实到单个构件的延性构造要求并予以分类归并。为了使各结构构件的变形能力得以充分发挥，结构构件之间连接的基本要求是确保连接性能的可靠性。

按照结构综合抗震能力的要求采取抗震措施时，对同一结构的不同楼层和不同部位的构件， 其构造措施的基本要求不同， 当同一结构不同部位的性能要求有明显差异时， 也可有相应不同的基本要求。对于采用减震耗能体系的建筑结构，由于结构阻尼增大使整个结构的地震反应减小， 容易实现高抗震性能 （减小损坏程度） 的设计要求。此时， 除了提高相应关键部位的特殊要求外， 其余部位的基本要求与非减震耗能结构相比可相对降低，只需达到与结构地震反应减小后相应的构造要求。

六、结束语

总而言之，随着高层建筑的迅速发展，建筑高度不断增加，高层建筑的结构设计也成为结构工程师设计工作的主要重点和难点，其抗震设计变得尤为重要。通过建筑结构延性与降低地震作用的探讨，分别对构件延性及影响因素， 结构想象变形能力的构造， 整体结构延性与局部构件延性的联系进行了定性的分析，希望对以后的建筑结构抗震设计有一些参考和借鉴作用。建筑结构的抗震等级与变形能力有所联系， 但仍明显的定量关系， 尤其是没有直接与构件的变形能力相联系。 为了实现结构变形能力与降低抗震作用的定量化并在设计中付诸实施， 还有许多基础性工作需要完成。

参考文献：

[1]赵西安.高层建筑结构实用设计方法.上海:同济大学出版社,1998 年

[2]龚思礼.结构抗震设计手册， 北京： 中国建筑工业出版社.2004年

[3]高小旺 建筑抗震设计规范理解与应用， 2005 年