结构设计中混凝土梁延性的认识

王钦强+曹耿

摘要：传统的抗震设计对结构构件的延性有特殊要求。本文介绍了提高混凝土梁延性的几点具体措施，来提高对这一问题的认识。

关键词：混凝土梁 延性 设计

1 概述

建筑结构的抗震设计中，结构及构件需要一定的变形能力来保证在强烈地震下的可靠度。结构和构件在遭遇中强地震时的强度、刚度退化要与相关国家规范的规定相匹配。对于常见的多高层钢筋混凝土房屋来说，“强柱弱梁、强墙弱连梁”的破坏机制与结构在地震作用下的耗能能力和抗倒塌能力有关。关于框架梁、连梁的抗震性能的特殊要求，下文通过归纳分析来具体说明这一问题。

2 提高框架梁延性的措施

结构的延性是指它在经受塑性变形中仍能保持一定承载能力的性能。延性一般分为三个层次——材料的延性、构件的延性和结构的延性，可由下列公式表达：

材料的延性：με=εm/εy

构件的延性：μθ=θm/θy

结构的延性：μδ=δm/δy

式中εm、θm、δm分别为循环加载条件下材料最大应变、构件最大转动能力和结构最大水平位移；εy、θy、δy分别为材料、构件和结构开始屈服的应变转角和水平位移。在一般情况下με≥μθ≥μδ。要期望结构达到一定的延性目标，那么结构中必然有相对较高延性的耗能构件。对于混凝土结构中的强柱-弱梁部分，框架梁的潜在塑性铰区域需要有足够的转动延性。文献[1]指出随着梁受拉钢筋配筋率的增大，开裂弯矩变化很小，虽然梁截面抗弯承载力得到了很大提高，但是梁截面的延性逐渐降低。图1为文献中的算例，梁截面宽度和高度为300x600mm，混凝土强度等级为C30，梁配筋率（钢筋为HRB335级）与曲率延性相关曲线如图所示。从图1可以看出，随着受拉钢筋配筋率的加大，虽然梁截面抗弯能力逐渐增大了，但是梁截面的延性逐渐在减低。超筋梁延性会趋于0，呈现出脆性特征。对于单筋矩形框架梁来说，配筋率与梁的受压区高度和有效高度的比ξb呈正比关系。控制梁的相对受压区高度是保证截面延性的措施。《建筑抗震设计规范》的条文说明解释说：“当相对受压区高度为0.25～0.35范围时，梁的位移延性系数可到达3～4”，工程实践中必须满足这样的要求。因此，规范规定梁端计入受压钢筋的混凝土受压区高度和有效高度之比，一级框架不应大于0.25，二、三级不应大于0.35[2]。

文献[1]的结果还显示受压钢筋的配置对梁的承载力影响不大，但是可以明显改善梁的延性，如图2所示。在受压钢筋一定时，随受压钢筋配筋率的加大，梁截面的延性逐渐在增加。这说明了在梁截面高度受建筑功能的限制时，配置一定的受压钢筋是提高梁延性性能的有效途径之一。

图2 梁受压钢筋配筋率与曲率延性相关曲线

3 提高连梁延性的措施

由于建筑功能及结构刚度的需求，剪力墙及筒体通常会有很多小高跨比的连梁（高跨比小于2.5），这种连梁竖向荷载偏小，主要用途是进行墙之间剪力的传递。其破坏模式往往不能避免剪切破坏的发生。只配常规箍筋的小跨高比连梁在剪压比较高的情况下（不满足规范中公式：Vw≤1/？姿RE（0.15βcfcbh0）），可能无法满足延性的要求。图3为一根最大抗弯能力及最大抗剪能力大致相等的连梁的抗弯及抗剪能力在非弹性变形增长过程中的不同退化规律。其中bc线表示受弯能力退化趋势，bde线表示受剪能力的退化趋势。由图可知，这根梁的位移延性将由图中d点的值确定[3]。为了提高这类构件的延性能力，就必须有针对性地人为提高构件的抗剪能力。对于此类构件的设计，《混凝土结构设计规范》GB50017-2010中11.7.10条对此作了详细的规定[4]。

此外，为了防止设计人员忽略受弯钢筋数量的限制，特别是在计算配筋值很小而按构造要求配置受弯钢筋时，容易忽略“强剪弱弯”的要求。《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010给出了连梁的最大配筋率的限制，防止连梁的受弯钢筋配置过多。如下表所示[5]。

表1 连梁纵向钢筋的最大配筋率

■

4 结语

混凝土梁在结构中通常作为抗震结构的第一道防线，规范中对梁延性的相关要求不容忽视。在实践过程中，应当按照我国相关规范规定设计施工：

①严格控制框架梁的相对受压区高度；

②配置一定的受压钢筋是提高梁延性性能；

③对于剪压比超限的小高跨比的连梁，除了限制受弯钢筋数量，还要采取合适的构造以加强其受剪承载力。例如，设水平缝形成双连梁、多连梁，或采交叉斜筋、集中对角斜筋、对角暗撑等。

参考文献：

[1]刘海峰，郑鹏.不同配筋组合对钢筋混凝土梁M-Φ曲线的影响[J].科学技术与工程，2012，1第12卷第3期：586-589.

[2]GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].

[3]皮天祥.钢筋混凝土剪力墙小跨高比连梁抗震性能试验和设计方法研究[D].重庆：重庆大学，2008.

[4]GB50010-2010混凝土结构设计规范[S].

[5]JGJ3-2010高层建筑混凝土结构技术规程[S].

作者简介：王钦强（1979-），男，工学硕士，主要从事土木工程教学研究。endprint

摘要：传统的抗震设计对结构构件的延性有特殊要求。本文介绍了提高混凝土梁延性的几点具体措施，来提高对这一问题的认识。

关键词：混凝土梁 延性 设计

1 概述

建筑结构的抗震设计中，结构及构件需要一定的变形能力来保证在强烈地震下的可靠度。结构和构件在遭遇中强地震时的强度、刚度退化要与相关国家规范的规定相匹配。对于常见的多高层钢筋混凝土房屋来说，“强柱弱梁、强墙弱连梁”的破坏机制与结构在地震作用下的耗能能力和抗倒塌能力有关。关于框架梁、连梁的抗震性能的特殊要求，下文通过归纳分析来具体说明这一问题。

2 提高框架梁延性的措施

结构的延性是指它在经受塑性变形中仍能保持一定承载能力的性能。延性一般分为三个层次——材料的延性、构件的延性和结构的延性，可由下列公式表达：

材料的延性：με=εm/εy

构件的延性：μθ=θm/θy

结构的延性：μδ=δm/δy

式中εm、θm、δm分别为循环加载条件下材料最大应变、构件最大转动能力和结构最大水平位移；εy、θy、δy分别为材料、构件和结构开始屈服的应变转角和水平位移。在一般情况下με≥μθ≥μδ。要期望结构达到一定的延性目标，那么结构中必然有相对较高延性的耗能构件。对于混凝土结构中的强柱-弱梁部分，框架梁的潜在塑性铰区域需要有足够的转动延性。文献[1]指出随着梁受拉钢筋配筋率的增大，开裂弯矩变化很小，虽然梁截面抗弯承载力得到了很大提高，但是梁截面的延性逐渐降低。图1为文献中的算例，梁截面宽度和高度为300x600mm，混凝土强度等级为C30，梁配筋率（钢筋为HRB335级）与曲率延性相关曲线如图所示。从图1可以看出，随着受拉钢筋配筋率的加大，虽然梁截面抗弯能力逐渐增大了，但是梁截面的延性逐渐在减低。超筋梁延性会趋于0，呈现出脆性特征。对于单筋矩形框架梁来说，配筋率与梁的受压区高度和有效高度的比ξb呈正比关系。控制梁的相对受压区高度是保证截面延性的措施。《建筑抗震设计规范》的条文说明解释说：“当相对受压区高度为0.25～0.35范围时，梁的位移延性系数可到达3～4”，工程实践中必须满足这样的要求。因此，规范规定梁端计入受压钢筋的混凝土受压区高度和有效高度之比，一级框架不应大于0.25，二、三级不应大于0.35[2]。

文献[1]的结果还显示受压钢筋的配置对梁的承载力影响不大，但是可以明显改善梁的延性，如图2所示。在受压钢筋一定时，随受压钢筋配筋率的加大，梁截面的延性逐渐在增加。这说明了在梁截面高度受建筑功能的限制时，配置一定的受压钢筋是提高梁延性性能的有效途径之一。

图2 梁受压钢筋配筋率与曲率延性相关曲线

3 提高连梁延性的措施

由于建筑功能及结构刚度的需求，剪力墙及筒体通常会有很多小高跨比的连梁（高跨比小于2.5），这种连梁竖向荷载偏小，主要用途是进行墙之间剪力的传递。其破坏模式往往不能避免剪切破坏的发生。只配常规箍筋的小跨高比连梁在剪压比较高的情况下（不满足规范中公式：Vw≤1/？姿RE（0.15βcfcbh0）），可能无法满足延性的要求。图3为一根最大抗弯能力及最大抗剪能力大致相等的连梁的抗弯及抗剪能力在非弹性变形增长过程中的不同退化规律。其中bc线表示受弯能力退化趋势，bde线表示受剪能力的退化趋势。由图可知，这根梁的位移延性将由图中d点的值确定[3]。为了提高这类构件的延性能力，就必须有针对性地人为提高构件的抗剪能力。对于此类构件的设计，《混凝土结构设计规范》GB50017-2010中11.7.10条对此作了详细的规定[4]。

此外，为了防止设计人员忽略受弯钢筋数量的限制，特别是在计算配筋值很小而按构造要求配置受弯钢筋时，容易忽略“强剪弱弯”的要求。《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010给出了连梁的最大配筋率的限制，防止连梁的受弯钢筋配置过多。如下表所示[5]。

表1 连梁纵向钢筋的最大配筋率

■

4 结语

混凝土梁在结构中通常作为抗震结构的第一道防线，规范中对梁延性的相关要求不容忽视。在实践过程中，应当按照我国相关规范规定设计施工：

①严格控制框架梁的相对受压区高度；

②配置一定的受压钢筋是提高梁延性性能；

③对于剪压比超限的小高跨比的连梁，除了限制受弯钢筋数量，还要采取合适的构造以加强其受剪承载力。例如，设水平缝形成双连梁、多连梁，或采交叉斜筋、集中对角斜筋、对角暗撑等。

参考文献：

[1]刘海峰，郑鹏.不同配筋组合对钢筋混凝土梁M-Φ曲线的影响[J].科学技术与工程，2012，1第12卷第3期：586-589.

[2]GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].

[3]皮天祥.钢筋混凝土剪力墙小跨高比连梁抗震性能试验和设计方法研究[D].重庆：重庆大学，2008.

[4]GB50010-2010混凝土结构设计规范[S].

[5]JGJ3-2010高层建筑混凝土结构技术规程[S].

作者简介：王钦强（1979-），男，工学硕士，主要从事土木工程教学研究。endprint

摘要：传统的抗震设计对结构构件的延性有特殊要求。本文介绍了提高混凝土梁延性的几点具体措施，来提高对这一问题的认识。

关键词：混凝土梁 延性 设计

1 概述

建筑结构的抗震设计中，结构及构件需要一定的变形能力来保证在强烈地震下的可靠度。结构和构件在遭遇中强地震时的强度、刚度退化要与相关国家规范的规定相匹配。对于常见的多高层钢筋混凝土房屋来说，“强柱弱梁、强墙弱连梁”的破坏机制与结构在地震作用下的耗能能力和抗倒塌能力有关。关于框架梁、连梁的抗震性能的特殊要求，下文通过归纳分析来具体说明这一问题。

2 提高框架梁延性的措施

结构的延性是指它在经受塑性变形中仍能保持一定承载能力的性能。延性一般分为三个层次——材料的延性、构件的延性和结构的延性，可由下列公式表达：

材料的延性：με=εm/εy

构件的延性：μθ=θm/θy

结构的延性：μδ=δm/δy

式中εm、θm、δm分别为循环加载条件下材料最大应变、构件最大转动能力和结构最大水平位移；εy、θy、δy分别为材料、构件和结构开始屈服的应变转角和水平位移。在一般情况下με≥μθ≥μδ。要期望结构达到一定的延性目标，那么结构中必然有相对较高延性的耗能构件。对于混凝土结构中的强柱-弱梁部分，框架梁的潜在塑性铰区域需要有足够的转动延性。文献[1]指出随着梁受拉钢筋配筋率的增大，开裂弯矩变化很小，虽然梁截面抗弯承载力得到了很大提高，但是梁截面的延性逐渐降低。图1为文献中的算例，梁截面宽度和高度为300x600mm，混凝土强度等级为C30，梁配筋率（钢筋为HRB335级）与曲率延性相关曲线如图所示。从图1可以看出，随着受拉钢筋配筋率的加大，虽然梁截面抗弯能力逐渐增大了，但是梁截面的延性逐渐在减低。超筋梁延性会趋于0，呈现出脆性特征。对于单筋矩形框架梁来说，配筋率与梁的受压区高度和有效高度的比ξb呈正比关系。控制梁的相对受压区高度是保证截面延性的措施。《建筑抗震设计规范》的条文说明解释说：“当相对受压区高度为0.25～0.35范围时，梁的位移延性系数可到达3～4”，工程实践中必须满足这样的要求。因此，规范规定梁端计入受压钢筋的混凝土受压区高度和有效高度之比，一级框架不应大于0.25，二、三级不应大于0.35[2]。

文献[1]的结果还显示受压钢筋的配置对梁的承载力影响不大，但是可以明显改善梁的延性，如图2所示。在受压钢筋一定时，随受压钢筋配筋率的加大，梁截面的延性逐渐在增加。这说明了在梁截面高度受建筑功能的限制时，配置一定的受压钢筋是提高梁延性性能的有效途径之一。

图2 梁受压钢筋配筋率与曲率延性相关曲线

3 提高连梁延性的措施

由于建筑功能及结构刚度的需求，剪力墙及筒体通常会有很多小高跨比的连梁（高跨比小于2.5），这种连梁竖向荷载偏小，主要用途是进行墙之间剪力的传递。其破坏模式往往不能避免剪切破坏的发生。只配常规箍筋的小跨高比连梁在剪压比较高的情况下（不满足规范中公式：Vw≤1/？姿RE（0.15βcfcbh0）），可能无法满足延性的要求。图3为一根最大抗弯能力及最大抗剪能力大致相等的连梁的抗弯及抗剪能力在非弹性变形增长过程中的不同退化规律。其中bc线表示受弯能力退化趋势，bde线表示受剪能力的退化趋势。由图可知，这根梁的位移延性将由图中d点的值确定[3]。为了提高这类构件的延性能力，就必须有针对性地人为提高构件的抗剪能力。对于此类构件的设计，《混凝土结构设计规范》GB50017-2010中11.7.10条对此作了详细的规定[4]。

此外，为了防止设计人员忽略受弯钢筋数量的限制，特别是在计算配筋值很小而按构造要求配置受弯钢筋时，容易忽略“强剪弱弯”的要求。《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010给出了连梁的最大配筋率的限制，防止连梁的受弯钢筋配置过多。如下表所示[5]。

表1 连梁纵向钢筋的最大配筋率

■

4 结语

混凝土梁在结构中通常作为抗震结构的第一道防线，规范中对梁延性的相关要求不容忽视。在实践过程中，应当按照我国相关规范规定设计施工：

①严格控制框架梁的相对受压区高度；

②配置一定的受压钢筋是提高梁延性性能；

③对于剪压比超限的小高跨比的连梁，除了限制受弯钢筋数量，还要采取合适的构造以加强其受剪承载力。例如，设水平缝形成双连梁、多连梁，或采交叉斜筋、集中对角斜筋、对角暗撑等。

参考文献：

[1]刘海峰，郑鹏.不同配筋组合对钢筋混凝土梁M-Φ曲线的影响[J].科学技术与工程，2012，1第12卷第3期：586-589.

[2]GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].

[3]皮天祥.钢筋混凝土剪力墙小跨高比连梁抗震性能试验和设计方法研究[D].重庆：重庆大学，2008.

[4]GB50010-2010混凝土结构设计规范[S].

[5]JGJ3-2010高层建筑混凝土结构技术规程[S].

作者简介：王钦强（1979-），男，工学硕士，主要从事土木工程教学研究。endprint