钢筋混凝土结构抗震延性设计分析

李智明

中信建筑设计研究总院有限公司（430000）

0 前言

抗震性能是评价建筑稳定性的主要参考指标之一。具备良好抗震性能的建筑，能够有效避免在发生地震时出现连续倒塌现象，从而维护业主安全，维护建设以及施工单位信誉与形象。在施工前进行抗震延性设计，对建筑抗震性能的改善具有积极意义。

1 钢筋混凝土结构抗震延性

延性指的是在结构超过弹性极限后，无明显强度与刚度退化下的变形情况的现象。抗震延性指的则是在建筑受地震影响后，而未发生上述变形的现象。在钢筋混凝土结构建筑的设计中，确保抗震延性达标，有助于使地震发生时能量被逐渐消耗，从而减小对建筑本身的影响，确保结构具有完整性。

2 钢筋混凝土结构抗震延性设计

2.1 工程概况

本工程为高层建筑，钢筋混凝土结构，建筑共18层，总面积16 547 m2，包括地上16层，地下6层。其中，地上1～5层作为商用，5层以上为商住两用，地下1～2层，均为停车场。本建筑处于地壳运动频繁、板块活动量大的区域。受到上述地质条件的影响，当地发生地震的风险高，因此，对建筑的抗震性能，通常具有更高的要求。与多层建筑相比，高层建筑的抗震设计更加复杂，而当前建筑行业又面临着高层建筑数量增加、不断侵占建筑市场的趋势。考虑到上述问题，本工程采用多种手段，对钢筋混凝土结构抗震延性进行了设计。

2.2 有限元分析

2.2.1 倒塌过程分析

地震影响所导致的倒塌过程分析方法主要有4种，其方法的优势和缺陷具体如下。

方法1:线弹性静力分析，优势是简单便捷，缺陷是应用范围窄。

方法2:线弹性动力分析，优势是分析动态性强，缺陷是仅能够分析小塑性变形。

方法3:非线性静力分析，优势是考虑非线性因素，缺陷是无法计算复杂情况。

方法4:非线性动力分析，优势是充分考虑各因素，缺陷是流程复杂。

结合本工程的需求与特征（工程本身无复杂计算过程），以及各项分析方法的优势与缺陷，工程考虑采用方法3，即非线性静力分析，针对建筑结构的抗震延性，进行了有限元分析。

2.2.2 建立有限元模型

常见的用于建筑结构有限元分析的模型，共包括两种，分别为整体式以及分离式。为了保证分析结果准确，本工程最终采取了后者对结构进行分析。基于上述分析方法，本工程共建立了3种Solid65单元，分别是4面体单元、5面体单元，以及6面体单元。需注意的是，3种单元均假设在无钢筋情况下建立。

2.2.3 有限元求解

2.2.3.1 加载

首先，需将建筑结构及各项参数输入到有限元分析软件中[1]。在本工程中，主要利用ANSYS对结构进行模拟。

2.2.3.2 求解

当加载完成后，即可进行求解。由于工程所选择的分析方式为非线性静力分析，故需要从以下流程入手，完成求解过程:首先，建立网格，确定密度，选择尺寸以及单元（文章所选单元为6面体单元）。其次，将混凝土压碎，分析性能。最后，观察收敛情况，了解结构荷载。

2.3 对比分析

2.3.1 建立框架

在对比分析过程中，工程需首先建立钢筋混凝土框架。建立框架后，需将相关参数输入到仿真软件中，通过不断加载的方式，掌握结构的荷载最大承受值。掌握上述指标后，可以通过以下方案进行分析:

1）纵筋不变，仍延续应用原有参数（纵筋原参数:屈服强度360 MPa，弹性模量2.3×105MPa，泊松比0.3。

2）简化钢筋混凝土结构模型，便于分析。

3）无需调整设计的混凝土强度，仅考虑箍筋直径、强度及配筋间距等参数（箍筋原参数:屈服强度270 MPa，弹性模量2.1×105MPa，泊松比0.3。

2.3.2 结构对比

对结构进行分析与对比的过程中，应考虑到边中柱失效以及角柱失效的问题[2]。本工程通过分析发现，结合上述两项因素考虑，如对箍筋参数进行调整，将达到改善建筑本身抗震延性的目的。而在箍筋各项参数之中，调整配筋间距，对抗震延性的影响最大，调整直径的影响次之。需注意的是，必须对两者进行同时调整，方可达到目的。

2.4 设计方案

2.4.1 材料选择

建筑的抗震延性，与其本身材料延性存在较大联系，故建议选择高延性混凝土以及钢筋。单独就钢筋而言，应保证其塑性变形能力强，此能力的计算公式如下:

公式中，Fpl代表塑性变形，Mpl代表弯矩，L1代表长度。

就混凝土而言，此材料的抗震延性，与其极限压应变能力有关，两者呈正相关。可根据极限曲率，对钢筋进行选择，极限曲率计算公式如下:

公式中，φ代表极限曲率，x、ξ分别代表受压区域实际与相对高度，ε代表极限压应变，h代表截面高度。

2.4.2 结构体系

经过计算，本工程将连续梁板体系应用到了设计中，上述体系能够充分满足工程对抗震延性的需求。本工程基础部分，主要采用“楼板——框架梁——框架柱——基础”的方式进行设计。为了提升柱的承载力，可通过约束的方式，对其进行处理。节点部分可通过锚固的方式提升稳定性。为预防构件失效，同时保证抗震延性达标，需适当对纵筋进行调整，使屈服强度下降。

2.4.3 结构布置

工程结构布置的关键，在于对平面与立面进行选择，而两者选择的关键，则在于控制形状。在高层建筑中，抗震延性的薄弱区域，一般处于框架梁位置。因此，应重点对上述位置进行设计以及调整。本工程通过计算发现，当将框架梁高度控制在2.7 m时，抗震效果可达到最优。当地震发生时，建筑梁体变形风险将有效下降，结构的稳定性也将明显提升。通过对工程实践的观察发现，建筑遭遇地震后，倒塌的特点一般以连续性强为主。导致上述现象出现的原因，与梁的长度过大有关。故本工程在结构布置时，尽可能减小了梁的长度，避免出现连续倒塌现象。

2.4.4 构造处理

对建筑结构进行处理时，应注重对保护层参数的控制，而需控制的参数一般以厚度为主。为了保证结构稳定，应对配筋进行严格控制，还需确保钢筋之间能够妥善连接。钢筋接头属于对钢筋进行连接期间决定连接牢固性的主要因素之一。工程需根据需求，确定接头所处的区域，对接头数量进行控制，应避免过多或过少，最终提升建筑的抗震延性。在高层建筑中，部分纵筋较长。为了避免出现连续倒塌现象，可适当通过弯钩设计的方式，保证设计效果[3]。另外，可适当对锚固进行调整。通常情况下，高层建筑锚固较短，而出于抗震延性考虑，则需要适当增加上述参数，从而保证建筑质量达到规范标准要求。

2.5 设计效果

本工程经过上述设计后，最终确定了施工方案，并将方案应用到了工程建设中。建筑投入使用后，曾发生过1次地震，虽然地震等级不高，但建筑的抗震性能同样明显体现，内部居民的生命与财产安全均得到了保证，表明设计成功。

3 结语

本工程在建设前，通过钢筋混凝土结构抗震延性设计的方式，有效提升了材料选择、结构设计、节点布置及配筋构造的合理性，不仅增强了抗震延性，且保证了业主安全，维护了工程的信誉与形象。在未来，建筑行业可以本工程为参考，在建立有限元模型的基础上，通过对比分析的方式，对钢筋混凝土结构进行优化调整，全面改善抗震延性设计效果，提升建筑质量。