钢筋混凝土框架结构抗震延性设计

王红伟

（武汉建筑材料工业设计研究院有限公司，武汉 430071）

国民经济的快速发展导致越来越多的高层建筑物出现，高层建筑物由于重量大、高度高，若设计不当，在地震过程中很容易发生破坏，造成严重的生命财产损失，引起恶劣的社会效应。钢筋混凝土框架结构，作为我国建筑结构物中最常用的结构形式，由于其自身具有良好的延性、较强的完整性以及较高的强度、刚度，广泛应用于我国地震设防区域，其良好的抗震性能在地震中发挥了积极的作用。根据我国《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）提出的结构物三水准的抗震设防要求：（1）第一水准：当遭遇低于本地区设防烈度的地震影响时，建筑物一般不损坏或不需修理仍然可以继续使用；（2）第二水准：当遭遇本地区设防烈度的地震影响时，建筑物可能损坏，但经过修理后或不需修理仍可继续使用；（3）第三水准：当遭遇高于本地区设防烈度的地震影响时，建筑物不倒塌，或不发生危及生命的严重破坏。即“小震不坏，中震可修，大震不倒”的设计思想。

该文主要讨论钢筋混凝土框架结构的抗震延性设计，根据地震中框架结构的震害分析，说明结构物抗震延性设计的重要性。在此基础上，从框架结构消耗地震能量的角度出发，给出了钢筋混凝土框架结构抗震延性设计的方法及要求。

1 框架结构震害分析

根据5.12汶川特大地震和4.14玉树大地震中建筑结构物的震害情况，此节对地震中钢筋混凝土框架结构的典型震害特征进行分析说明。通过总结可以发现，钢筋混凝土框架结构在地震中容易出现的典型破坏特征主要有以下几点：

1）框架柱的破坏

为了保证建筑结构物在地震中不至于倒塌，建筑物抗震设计相关规范中要求的“强柱弱梁”，确保梁的破坏出现在柱之前。因此，地震中框架柱的破坏主要表现在以下几个方面：

（1）强震中框架柱柱底部分出现水平裂缝，部分混凝土被压碎，导致纵向受力钢筋暴露表面，甚至部分钢筋发生屈曲，同时箍筋发生严重扭曲，如图1所示。

（2）框架柱柱顶与梁端连接处的节点发生严重破坏，框架柱端形成明显的塑性铰，钢筋发生弯曲外露，严重处甚至发生屈曲，如图2所示。

（3）框架结构部分构件在地震情况下由之前的长柱变为短柱，其受力状态发生明显变化，导致其结构本身易发生剪切破坏，斜向裂缝产生，表层混凝土剥落，钢筋外露，如图3所示。

2）梁柱节点的破坏

梁柱节点是框架结构在地震中容易发生破坏的区域之一，其破坏的主要形式主要包括节点核心区的剪切破坏和钢筋的锚固破坏，主要表现有以下几个方面：受压区域混凝土被压碎、受拉区域钢筋发生屈曲破坏，框架柱端形成塑性铰，在节点处出现交叉裂缝，如图4所示。

3）建筑突出结构部分的“鞭梢效应”

部分钢筋混凝土框架结构由于功能需要在结构顶端存在突出部分，地震中该突出部分能产生明显的“鞭梢效应”，即突出部分所承受的地震力是其他部分所承受地震力的几倍，因此地震中突出部分极易产生破坏，破坏形式有表层混凝土发生剥落，突出部分与结构主体之间产生裂缝，甚至发生倾斜、坍塌等情况，如图5所示。

4）填充墙体的破坏

填充墙体一般采用砖砌体对结构物空间进行分割和围护，由于砖砌体自身的抗剪强度较低，同时在地震中变形能力较差，因此在水平地震作用力的作用下，填充墙通常情况下会出现水平缝和交叉裂缝，如图6所示。

2 框架结构延性设计的重要性

对5.12汶川特大地震和4.14玉树大地震中钢筋混凝土框架结构发生破坏的原因进行分析发现，大部分结构物的破坏都是因为没有严格按照结构物抗震延性设计的相关要求进行设计引起的。因此，在钢筋混凝土框架结构的设计中，尤其是位于抗震设防区域的地区，结构的抗震延性设计显得特别重要。钢筋混凝土框架结构的抗震实际上就是对建筑结构物的延性设计，提高框架结构的抗震能力，增加结构物的抗坍塌能力。所谓结构物的延性，就是反映结构物在外荷载作用下所产生的非线性变形能力，同时结构物的承载力不发生明显的变化。通常情况下，结构物的延性能用来判断某一结构物在地震作用下的抵抗变形的能力和消耗地震能量的能力。结构物的抗震延性设计在地震中可以最大程度的根据设计理论，减小地震带来的财产损失和人员伤亡。综上所述，结构物的延性设计在抗震中发挥着至关重要的作用。

3 框架结构耗能机理

钢筋混凝土框架结构主要由2部分组成，即竖向框架柱和水平框架梁。其中，竖向框架柱主要为压弯构件，而水平框架梁主要为弯剪构件。既有研究成果表明，钢筋混凝土框架结构的延性很大程度上由框架柱和框架梁自身的延性和屈服强度决定。

钢筋混凝土框架结构在地震作用下，框架结构在每一个循环过程中，存在加载与卸载2个阶段，在加载阶段时框架结构是吸收或者存储能量，在卸载阶段时结构释放能量，但是吸收部分和释放部分不相等。这两者的差值即为框架结构在该循环中消耗的能量，即为耗能。框架结构吸收的能量可以根据力－位移曲线所包围的面积来表示，如图7所示。

4 框架结构延性设计

通常来讲，钢筋混凝土框架结构的抗震延性设计主要包括以下3个方面：延性框架柱的设计、延性框架梁的设计和延性框架节点的设计。以下进行分别说明：

1）延性框架柱和梁的设计

在地震作用中，梁构件是钢筋混凝土框架结构的主要耗能构件，这是由梁构件的延性来为框架结构提供延性，因此在抗震结构设计中要求框架梁应具有良好的延性。同时，框架柱是钢筋混凝土框架结构中主要的受力杆件，因此在抗震设计相关规范中，对框架柱和框架梁提出了以下2个要求，即强剪弱弯和强柱弱梁。

（1）强剪弱弯

在地震的反复荷载作用下，框架柱的抗剪承载力主要由3部分组成，包括混凝土部分的抗剪能力、钢筋结构部分的抗剪能力和轴向荷载作用下的影响效应产生的剪力。在地震力加载初期，混凝土部分承担了剪力中的绝大部分，然后是箍筋部分承担的剪力。随着加载过程的推进，在框架结构随着交叉斜裂缝的产生和发展，混凝土和箍筋的作用在发展着变化，即此时的绝大部分剪力由箍筋承担，然后才是混凝土部分。

因此，在地震低周期反复荷载的作用下，钢筋混凝土框架结构中框架柱构件中混凝土部分对剪力的抵抗贡献率在不断的减小，相应增加的是箍筋对剪力的贡献率。如果在设计中箍筋的配筋率不足，在混凝土贡献率减小、箍筋贡献率增大的情况下，框架柱中的箍筋会因为与斜裂缝相交发生屈服或者破坏，导致斜裂缝迅速发展，最终贯穿构件的受压边缘导致构件发生剪切受拉破坏。

我国《建筑抗震设计规范》中则是通过调整框架柱端部所承受的剪力设计值，同时配置相当量的箍筋以此保证构件体积配箍率的要求，最终达到强剪弱弯的延性设计要求。

（2）强柱弱梁

如果钢筋混凝土框架结构在地震中形成梁铰结构，那么塑性铰的分布则会相对均匀，同时梁铰结构的延性设计要求也比较容易实现。另一方面，如果形成了柱铰结构，那么整个框架结构极易形成一个机构结构，导致结构出现不稳定，最终导致整个框架结构发生坍塌。因此，为了保证钢筋混凝土框架结构的延性，设计中要求同一节点上柱端截面抗弯承载力之和大于梁端截面抗弯承载力之和，即要求在框架结构设计的时候满足强柱弱梁的原则，保证结构有足够的能力抵抗地震力，减小地震力作用下框架柱端发生屈服的可能性，增加框架结构构件的延性。

2）延性框架节点的设计

框架梁和柱的连接节点经过专门处理保证塑性铰的变形，以此来保证钢筋混凝土框架的延性和消耗地震的能量。框架节点的动力性能主要是通过锚固和剪切机制进行控制，在地震中节点的滞回特性比较差，因此变成框架结构中耗能较弱的部分，所以通常不作用耗散能量部位。

钢筋混凝土框架节点的破坏主要是由于节点核心区域配置的箍筋不足，导致在剪力和压力的共同作用下核心区的混凝土出现了斜裂缝，最终引起箍筋屈服甚至被拉断，柱的纵向箍筋被压屈等现象。因此，为了防止节点核心区发生剪切破坏，对节点剪压比进行控制及进行节点核心区抗剪承载力验算，保证节点核心区混凝土的强度满足要求和配置足够数量的钢筋，做到“强节点”。

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