钢筋混凝土结构抗震延性设计分析

冯 鹏

贵州省建筑科研设计院有限公司

1 引言

根据钢筋混凝土结构的实际使用情况分析可知，其抗震能力不仅受到构件承载力的影响，在一定程度上也受到其变形能力、动力响应的影响，简单而言，建筑结构消耗、吸收地震能量的能力越强，则在地震作用下的安全性越好，避免出现全面倒塌事故。由此，在进行钢筋混凝土结构抗震设计时，延性的合理控制是十分关键的，通过有效提高结构与构件的塑性变形能力，可确保结构出现损坏后依旧可以承受较大变形，最大限度地减小地震灾害造成的损失。

在对混凝土构建构造的过程中除了需要满足建筑物对其强度、刚度、稳定性等方面的要求之外，还需要确保混凝土构建构筑良好的延展性。影响混凝土构件的延性主要有以下几个方面的因素。

（1）延性被破坏的过程。

（2）在调整和适应动力何在的过程中，会产生附加内力和变形。

（3）混凝土连续梁板和框架超静定结构塑性设计，要求某些截面能够形成塑性铰，这样有利于重力重新分布的实现。

（4）为了确保所建设的建筑物就良好的抗震性能，就需要该建筑物在建设过程中所使用的混凝土构建具有良好的延展性。

因为混凝土构件的延性能够吸收，在地震条件下所产生的能量，进而降低建筑物在地震状态下的动力反应，延性设计在实际工程中有以下几个方面的意义。

第一，在钢筋混凝土结构设计的过程中增加一些延性设计延性设计可以给人民群众的生命安全带来更加全面的保障，同时也可以降低在一些重大灾难中的经济损失；

第二，当建筑结构出现偶然超载现象时，荷载反向,温度升高或基础沉降都会引起附加内力等情况，有较强的承受和抗衡能力。

第三，延性设计可以促使建筑物内部的力量可以重新分布。

第四，在建筑结构中增加延性设计，可以确保建筑物在承受动力的情况下惯性可以大幅度的降低。因为延性设计能够减小惯性力，所以能够降低物质所承受的动力，从而使得建筑物坍塌的概率大幅度降低。

因此，为了能够为各种意外情况的发生提供足够的安全储备，在各种建筑物设计的过程中增加一些延性设计是非常有必要的。

2 钢筋混凝土结构的延性问题分析

根据我国建筑调查情况分析可知，钢筋混凝土结构的应用是最为普遍的，其需具有足够的强度、延性、整体性，方可具备良好的抗震能力。根据《建筑抗震设计规范》要求，建筑结构在地震作用下，需具备足够的抵抗力、保持足够的延性要求，方可实现“小震不坏，中震可修，大震不倒”。

所谓延性，指的是结构构件、截面等受力超过弹性阶段后，承载力无显著变化时的后期变形能力，即：构件破坏前的经受非弹性变形能力，相关延性系数包括：材料延性、截面曲率延性、构件的位移延性、结构位移延性等。钢筋混凝土结构的抗震能力，在一定程度上可以看作是其变形能力、耗能能力，由此，加强结构延性设计，可有效依靠结构的弹塑性变形，消耗、吸收地震能力，令屈服部分发生延性破坏，避免结构出现整体倒塌的情况。由此，在钢筋混凝土结构抗震设计中，必须将“延性问题”纳入重点考虑，合理把控结构塑性变形能力，保证结构安全。

3 钢筋混凝土结构延性影响因素

根据实践分析可知，钢筋混凝土结构抗震设计中，合理控制材料强度、轴压比等，可获得较好的延性参数，下文主要对影响延性的几方面因素进行分析。

（1）材料强度：混凝土的强度直接关系到结构的抗剪承载力，尤其是对于节点核心区而言，若是混凝土出现强度不够的情况，则将直接出现开裂的情况，同时若是混凝土的强度过高，梁、柱截面尺寸减小，混凝土抗剪截面缩小，有可能出现抗震不利的情况；钢筋变形能力直接关系到结构延性，因此选择延展性好的钢筋材料十分重要。

（2）轴压比：钢筋混凝土结构抗震设计时，柱的轴压比控制在限值以内十分重要，轴压比增大，柱的延性会相应减小，其直接关系到地震作用下结构是否会发生大偏压破坏的问题。

（3）箍筋构造：沿梁设置封闭箍筋可有效约束受压区混凝土，提高其极限压应变能力，箍筋越密构件延性越大，但是抗震设计时还需考虑施工可行性、经济性问题。

（4）剪跨比：剪跨比直接关系到梁、柱极限变形能力，剪跨比＞2 为长柱，多为延性较好弯曲破坏；剪跨比≤2 为短柱，延性较差，多为脆性破坏。

4 钢筋混凝土结构抗震延性设计要点

4.1 设计要点分析

在进行钢筋混凝土结构抗震延性设计时，需着重把控好以下几点。

4.1.1 强“柱”弱“梁”

根据钢筋混凝土结构震害发生情况来看，塑性铰的分布直接影响结构延性，即：框架梁先出现梁铰结构，塑性铰分布较为均匀，抗震延性好；框架柱先出现柱铰结构，则抗震延性较弱，由此在进行抗震延性设计时，强“柱”弱“梁”是一大关键点。基于强“柱”弱“梁”设计下，柱端抗弯能力需强于梁端，确保地震出现时，钢筋混凝土结构的框架梁先形成塑性铰，有效消耗更多的地震能量，维护整个结构的安全性，防止出现倒塌破坏。

4.1.2 强“剪”弱“弯”

对于钢筋混凝土结构而言，一旦发生震害，结构会根据构件实际承受能力进行内力的重新分配，因此在进行抗震设计时，为防止框架节点、结构构件出现脆性破坏的情况，做好强“剪”弱“弯”设计十分重要，即：结构构件受剪承载力高于构件屈服时的剪力。

钢筋混凝土结构强“剪”弱“弯设计要点包括：抗剪承载力计算、设计剪力计算以及构造措施确定。根据实践可知，不同建筑物需根据区域抗震设防烈度、结构安全等级、场地类别等参数，合理确定抗震等级与性能目标，由此选择相应的抗剪承载力的计算公式，确保计算结果与实际情况相符，结构延性设计结果满足要求。

4.1.3 强“节点”强“锚固”

在进行钢筋混凝土结构抗震设计时，框架节点是延性设计的关键点，不得出现早期破坏。框架节点承受着剪力、压力的双重作用，需规范进行强度设计、设置足够的箍筋，保证其强度、延性均满足要求；同时合理增加抗震附加锚固长度，提高纵筋锚固强度。

4.2 钢筋混凝土结构的延性保证

钢筋混凝土结构中对其结构延展性有影响的因素有以下几种：钢筋的塑形变形性能、混凝土的韧性、钢筋与混凝土的粘接锚固性能。构成钢筋混凝土结构的原材料的性能都会对其结构的延性有影响作用。为了确保所建设的钢筋混凝土结构具有良好的延展性，在钢筋混凝土结构建造的过程中所使用的构件应当选用延展率较大、与混凝土黏结性较好的I、亚级钢筋。而一些延展率较低的钢筋，如冷拉钢筋、高强钢筋和钢绞线一般适用于钢筋配置预应力较低的混凝土结构。在配置热轧非预应力钢筋时不仅需要确保所选择的钢筋指数在确定的范围内，而且还需要选择适当的将构造，从而确保所所构建的钢筋混凝土结构的延展性能够满足建筑物抗震的需求。

4.2.1 框架柱对延性的构造要求

为了使得梁端区域具有较好的延性，在梁端区域建设的过程中通过采用抗震构造的方案来确保其延性能够达到相应的标准。并且在梁端域建设的过程中通过采用强柱弱梁的方式来使得框架柱的延性构造能够达到建筑需求。在建筑框架梁设计的过程中，可以通过采用控制梁端截面混凝土受压区域的高度来达到控制梁端塑性铰区的塑性转动力可以提高的目的，昨儿确保所设计的框架梁端截面具有较大的曲率延性。通过一系列的实验研究可以得出，所设计的框架梁的受压区高度越大就会导致梁的延性越小。依据国内外与框架柱对延性构造的研究可以得出以下结论：当框架梁受压区的高度控制在0.25～0.35这个区域范围内，梁柱的位移延性可以达到4.0～3.0左右。

4.2.2 框架柱对延性的构造要求

柱的轴压比对框架结构延性会产生重要的影响作用。经过一个月的实验研究发现，柱的轴压比越大就会导致柱的延展性越低，当柱的轴压比超过一定的范围内，就会导致其发生小偏压比被破坏。在建筑物抗震设计的过程中应当确保所设计的轴压比不能超过限定范围,这样可以有效地避免因发生大偏压而导致框架柱的延展性被破坏现象的发生。依据相关的抗震规范标准，框架柱相应于一、二、三级抗震时相对应的轴压比限值应当为0.65 0.75、0.85。这里所谓的轴压比限值指的是柱轴压力设计值与柱轴压力承载设计值之间的比值。为了能够有效地预防在地震的作用下，柱子少筋脆性被破坏和超筋联结被列破坏所设计的柱的纵向配筋率不能够低于0.8%.0.7%.0.6%、0.5%(这些数值对应于一、二,三、四级抗震等级)。

4.2.3 箍筋的构造要求

在箍筋构造设计的过程中需要提高构件和节点的抗剪能力，所以这就要求设计师在设计的过程中就需要以强节点、强锚固为设计原则，从而使得的构造的延性和耗能能力可以得到有效的改善。梁和柱的剪切破坏区和湾雅塑角需都可以发生在箍筋构件的两端，因此应当在固定的两端进行加密。加密区的构造主要包括以下几个方面：加密区的长度、箍筋最小直径等。其中加密区和节点的顾金最小体积率等与抗震系数之间有密切的关系，所以在箍筋构造的过程中需要严格按照相关的数据开展设计，少儿有效地实现大震不倒的设计目标。

4.3 结构延性含义

结构延性指的是建筑结构的某个横截面从开始承受力到承受最大的核载力之间没有发生明显的变形而不断增加的能力。因为我国有一部分的地区处于太平洋地震带，所以发生地震自然灾害的频率较高，自从我国发生了几次重大地震之后，抗震和防震已经成为建筑物行业的焦点。对地震发生原理进行分析可以得出，在地震发生的情况下，其产生的历史一种低周期、不断循环的力作用与建筑物结构。然而，建筑结构的延展性可以允许这部分力可以不断地循环，并通过部分构建所承载的力以能量的行驶不断地进行输出和转化，这样可以大幅度的降低建筑物在地震状况下发生的倒塌的概率。

4.4 案例分析

本文通过对某钢筋混凝土框架结构延性抗震设计情况的分析，为类似项目提供有价值的参考。此项目总建筑面积9864m2，地上31 层、地下3 层，地上1～2 层为公共区域，3～24 层为客房，25～31层为餐厅。此项目采取了延性抗震设计方法，具体体现如下。

（1）暗柱设计：本项目矩形剪力墙两端、筒体转角位置，均设置300×800 暗柱；地上3～31 层墙厚经计算分析后，由原本的500mm 改为300mm，内侧与筒体相连位置依旧采用500×700 端柱，同时连梁宽度设计为500mm，实现强“剪”弱“弯”设计。

（2）分区设计：将建筑物分为三个区段，分别选用不同构造与配筋率：①加强区：地下1～3层+地上30～31层+屋顶塔楼；②过渡区：地上5～6层+地上23～24层；③一般区：其余各层。

（3）配筋计算：连梁、加强区墙肢配筋计算采取强“剪”弱“弯”设计方法，具体根据区段情况确定加大系数。

（4）箍筋设计：暗柱箍筋间距≤200mm，加强区沿柱全高箍筋、拉筋间距100mm。

5 结语

综上所述，在进行钢筋混凝土结构抗震设计时，延性设计是一大关键点，其直接关系到结构、构件能否具备较好的变形能力，从而有效消耗、吸收地震能量，真正实现建筑结构在地震作用下不出现倒塌的情况，最大限度地保证人员安全。在进行抗震延性设计时，强柱弱梁、强剪弱弯、强节点强锚固是基本设计要点，具体需进一步加强结构与变形能力、构件之间的关系，科学开展相关计算分析工作，合理选取梁柱规格、配筋率、箍筋间距等参数，切实保证结构安全可靠的同时，也具有较好的经济性。总而言之，在钢筋混凝土结构抗震设计的过程中加入延性设计是十分有必要的，这样不仅可以帮助建筑物结构在地震的条件下将动能不断地进行输出和转化，同时也能够大幅度的降低建筑物在地震情况下发生倒塌的概率。除此之外，钢筋混凝土结构抗震性能的设计可以为广大人民群众的生命安全带来更加可靠的安全保障。