結(jié)構(gòu)設(shè)計中混凝土梁延性的認(rèn)識

王欽強+曹耿

摘要：傳統(tǒng)的抗震設(shè)計對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性有特殊要求。本文介紹了提高混凝土梁延性的幾點具體措施，來提高對這一問題的認(rèn)識。

關(guān)鍵詞：混凝土梁 延性 設(shè)計

1 概述

建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計中，結(jié)構(gòu)及構(gòu)件需要一定的變形能力來保證在強烈地震下的可靠度。結(jié)構(gòu)和構(gòu)件在遭遇中強地震時的強度、剛度退化要與相關(guān)國家規(guī)范的規(guī)定相匹配。對于常見的多高層鋼筋混凝土房屋來說，“強柱弱梁、強墻弱連梁”的破壞機制與結(jié)構(gòu)在地震作用下的耗能能力和抗倒塌能力有關(guān)。關(guān)于框架梁、連梁的抗震性能的特殊要求，下文通過歸納分析來具體說明這一問題。

2 提高框架梁延性的措施

結(jié)構(gòu)的延性是指它在經(jīng)受塑性變形中仍能保持一定承載能力的性能。延性一般分為三個層次——材料的延性、構(gòu)件的延性和結(jié)構(gòu)的延性，可由下列公式表達：

材料的延性：με=εm/εy

構(gòu)件的延性：μθ=θm/θy

結(jié)構(gòu)的延性：μδ=δm/δy

式中εm、θm、δm分別為循環(huán)加載條件下材料最大應(yīng)變、構(gòu)件最大轉(zhuǎn)動能力和結(jié)構(gòu)最大水平位移；εy、θy、δy分別為材料、構(gòu)件和結(jié)構(gòu)開始屈服的應(yīng)變轉(zhuǎn)角和水平位移。在一般情況下με≥μθ≥μδ。要期望結(jié)構(gòu)達到一定的延性目標(biāo)，那么結(jié)構(gòu)中必然有相對較高延性的耗能構(gòu)件。對于混凝土結(jié)構(gòu)中的強柱-弱梁部分，框架梁的潛在塑性鉸區(qū)域需要有足夠的轉(zhuǎn)動延性。文獻[1]指出隨著梁受拉鋼筋配筋率的增大，開裂彎矩變化很小，雖然梁截面抗彎承載力得到了很大提高，但是梁截面的延性逐漸降低。圖1為文獻中的算例，梁截面寬度和高度為300x600mm，混凝土強度等級為C30，梁配筋率（鋼筋為HRB335級）與曲率延性相關(guān)曲線如圖所示。從圖1可以看出，隨著受拉鋼筋配筋率的加大，雖然梁截面抗彎能力逐漸增大了，但是梁截面的延性逐漸在減低。超筋梁延性會趨于0，呈現(xiàn)出脆性特征。對于單筋矩形框架梁來說，配筋率與梁的受壓區(qū)高度和有效高度的比ξb呈正比關(guān)系?？刂屏旱南鄬κ軌簠^(qū)高度是保證截面延性的措施。《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》的條文說明解釋說：“當(dāng)相對受壓區(qū)高度為0.25～0.35范圍時，梁的位移延性系數(shù)可到達3～4”，工程實踐中必須滿足這樣的要求。因此，規(guī)范規(guī)定梁端計入受壓鋼筋的混凝土受壓區(qū)高度和有效高度之比，一級框架不應(yīng)大于0.25，二、三級不應(yīng)大于0.35[2]。

文獻[1]的結(jié)果還顯示受壓鋼筋的配置對梁的承載力影響不大，但是可以明顯改善梁的延性，如圖2所示。在受壓鋼筋一定時，隨受壓鋼筋配筋率的加大，梁截面的延性逐漸在增加。這說明了在梁截面高度受建筑功能的限制時，配置一定的受壓鋼筋是提高梁延性性能的有效途徑之一。

圖2 梁受壓鋼筋配筋率與曲率延性相關(guān)曲線

3 提高連梁延性的措施

由于建筑功能及結(jié)構(gòu)剛度的需求，剪力墻及筒體通常會有很多小高跨比的連梁（高跨比小于2.5），這種連梁豎向荷載偏小，主要用途是進行墻之間剪力的傳遞。其破壞模式往往不能避免剪切破壞的發(fā)生。只配常規(guī)箍筋的小跨高比連梁在剪壓比較高的情況下（不滿足規(guī)范中公式：Vw≤1/？姿RE（0.15βcfcbh0）），可能無法滿足延性的要求。圖3為一根最大抗彎能力及最大抗剪能力大致相等的連梁的抗彎及抗剪能力在非彈性變形增長過程中的不同退化規(guī)律。其中bc線表示受彎能力退化趨勢，bde線表示受剪能力的退化趨勢。由圖可知，這根梁的位移延性將由圖中d點的值確定[3]。為了提高這類構(gòu)件的延性能力，就必須有針對性地人為提高構(gòu)件的抗剪能力。對于此類構(gòu)件的設(shè)計，《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50017-2010中11.7.10條對此作了詳細(xì)的規(guī)定[4]。

此外，為了防止設(shè)計人員忽略受彎鋼筋數(shù)量的限制，特別是在計算配筋值很小而按構(gòu)造要求配置受彎鋼筋時，容易忽略“強剪弱彎”的要求?！陡邔咏ㄖ炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010給出了連梁的最大配筋率的限制，防止連梁的受彎鋼筋配置過多。如下表所示[5]。

表1 連梁縱向鋼筋的最大配筋率

■

4 結(jié)語

混凝土梁在結(jié)構(gòu)中通常作為抗震結(jié)構(gòu)的第一道防線，規(guī)范中對梁延性的相關(guān)要求不容忽視。在實踐過程中，應(yīng)當(dāng)按照我國相關(guān)規(guī)范規(guī)定設(shè)計施工：

①嚴(yán)格控制框架梁的相對受壓區(qū)高度；

②配置一定的受壓鋼筋是提高梁延性性能；

③對于剪壓比超限的小高跨比的連梁，除了限制受彎鋼筋數(shù)量，還要采取合適的構(gòu)造以加強其受剪承載力。例如，設(shè)水平縫形成雙連梁、多連梁，或采交叉斜筋、集中對角斜筋、對角暗撐等。

參考文獻：

[1]劉海峰，鄭鵬.不同配筋組合對鋼筋混凝土梁M-Φ曲線的影響[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2012，1第12卷第3期：586-589.

[2]GB50011-2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[3]皮天祥.鋼筋混凝土剪力墻小跨高比連梁抗震性能試驗和設(shè)計方法研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2008.

[4]GB50010-2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[5]JGJ3-2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

作者簡介：王欽強（1979-），男，工學(xué)碩士，主要從事土木工程教學(xué)研究。endprint

摘要：傳統(tǒng)的抗震設(shè)計對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性有特殊要求。本文介紹了提高混凝土梁延性的幾點具體措施，來提高對這一問題的認(rèn)識。

關(guān)鍵詞：混凝土梁 延性 設(shè)計

1 概述

建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計中，結(jié)構(gòu)及構(gòu)件需要一定的變形能力來保證在強烈地震下的可靠度。結(jié)構(gòu)和構(gòu)件在遭遇中強地震時的強度、剛度退化要與相關(guān)國家規(guī)范的規(guī)定相匹配。對于常見的多高層鋼筋混凝土房屋來說，“強柱弱梁、強墻弱連梁”的破壞機制與結(jié)構(gòu)在地震作用下的耗能能力和抗倒塌能力有關(guān)。關(guān)于框架梁、連梁的抗震性能的特殊要求，下文通過歸納分析來具體說明這一問題。

2 提高框架梁延性的措施

結(jié)構(gòu)的延性是指它在經(jīng)受塑性變形中仍能保持一定承載能力的性能。延性一般分為三個層次——材料的延性、構(gòu)件的延性和結(jié)構(gòu)的延性，可由下列公式表達：

材料的延性：με=εm/εy

構(gòu)件的延性：μθ=θm/θy

結(jié)構(gòu)的延性：μδ=δm/δy

式中εm、θm、δm分別為循環(huán)加載條件下材料最大應(yīng)變、構(gòu)件最大轉(zhuǎn)動能力和結(jié)構(gòu)最大水平位移；εy、θy、δy分別為材料、構(gòu)件和結(jié)構(gòu)開始屈服的應(yīng)變轉(zhuǎn)角和水平位移。在一般情況下με≥μθ≥μδ。要期望結(jié)構(gòu)達到一定的延性目標(biāo)，那么結(jié)構(gòu)中必然有相對較高延性的耗能構(gòu)件。對于混凝土結(jié)構(gòu)中的強柱-弱梁部分，框架梁的潛在塑性鉸區(qū)域需要有足夠的轉(zhuǎn)動延性。文獻[1]指出隨著梁受拉鋼筋配筋率的增大，開裂彎矩變化很小，雖然梁截面抗彎承載力得到了很大提高，但是梁截面的延性逐漸降低。圖1為文獻中的算例，梁截面寬度和高度為300x600mm，混凝土強度等級為C30，梁配筋率（鋼筋為HRB335級）與曲率延性相關(guān)曲線如圖所示。從圖1可以看出，隨著受拉鋼筋配筋率的加大，雖然梁截面抗彎能力逐漸增大了，但是梁截面的延性逐漸在減低。超筋梁延性會趨于0，呈現(xiàn)出脆性特征。對于單筋矩形框架梁來說，配筋率與梁的受壓區(qū)高度和有效高度的比ξb呈正比關(guān)系?？刂屏旱南鄬κ軌簠^(qū)高度是保證截面延性的措施?！督ㄖ拐鹪O(shè)計規(guī)范》的條文說明解釋說：“當(dāng)相對受壓區(qū)高度為0.25～0.35范圍時，梁的位移延性系數(shù)可到達3～4”，工程實踐中必須滿足這樣的要求。因此，規(guī)范規(guī)定梁端計入受壓鋼筋的混凝土受壓區(qū)高度和有效高度之比，一級框架不應(yīng)大于0.25，二、三級不應(yīng)大于0.35[2]。

文獻[1]的結(jié)果還顯示受壓鋼筋的配置對梁的承載力影響不大，但是可以明顯改善梁的延性，如圖2所示。在受壓鋼筋一定時，隨受壓鋼筋配筋率的加大，梁截面的延性逐漸在增加。這說明了在梁截面高度受建筑功能的限制時，配置一定的受壓鋼筋是提高梁延性性能的有效途徑之一。

圖2 梁受壓鋼筋配筋率與曲率延性相關(guān)曲線

3 提高連梁延性的措施

由于建筑功能及結(jié)構(gòu)剛度的需求，剪力墻及筒體通常會有很多小高跨比的連梁（高跨比小于2.5），這種連梁豎向荷載偏小，主要用途是進行墻之間剪力的傳遞。其破壞模式往往不能避免剪切破壞的發(fā)生。只配常規(guī)箍筋的小跨高比連梁在剪壓比較高的情況下（不滿足規(guī)范中公式：Vw≤1/？姿RE（0.15βcfcbh0）），可能無法滿足延性的要求。圖3為一根最大抗彎能力及最大抗剪能力大致相等的連梁的抗彎及抗剪能力在非彈性變形增長過程中的不同退化規(guī)律。其中bc線表示受彎能力退化趨勢，bde線表示受剪能力的退化趨勢。由圖可知，這根梁的位移延性將由圖中d點的值確定[3]。為了提高這類構(gòu)件的延性能力，就必須有針對性地人為提高構(gòu)件的抗剪能力。對于此類構(gòu)件的設(shè)計，《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50017-2010中11.7.10條對此作了詳細(xì)的規(guī)定[4]。

此外，為了防止設(shè)計人員忽略受彎鋼筋數(shù)量的限制，特別是在計算配筋值很小而按構(gòu)造要求配置受彎鋼筋時，容易忽略“強剪弱彎”的要求?！陡邔咏ㄖ炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010給出了連梁的最大配筋率的限制，防止連梁的受彎鋼筋配置過多。如下表所示[5]。

表1 連梁縱向鋼筋的最大配筋率

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4 結(jié)語

混凝土梁在結(jié)構(gòu)中通常作為抗震結(jié)構(gòu)的第一道防線，規(guī)范中對梁延性的相關(guān)要求不容忽視。在實踐過程中，應(yīng)當(dāng)按照我國相關(guān)規(guī)范規(guī)定設(shè)計施工：

①嚴(yán)格控制框架梁的相對受壓區(qū)高度；

②配置一定的受壓鋼筋是提高梁延性性能；

③對于剪壓比超限的小高跨比的連梁，除了限制受彎鋼筋數(shù)量，還要采取合適的構(gòu)造以加強其受剪承載力。例如，設(shè)水平縫形成雙連梁、多連梁，或采交叉斜筋、集中對角斜筋、對角暗撐等。

參考文獻：

[1]劉海峰，鄭鵬.不同配筋組合對鋼筋混凝土梁M-Φ曲線的影響[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2012，1第12卷第3期：586-589.

[2]GB50011-2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[3]皮天祥.鋼筋混凝土剪力墻小跨高比連梁抗震性能試驗和設(shè)計方法研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2008.

[4]GB50010-2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[5]JGJ3-2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

作者簡介：王欽強（1979-），男，工學(xué)碩士，主要從事土木工程教學(xué)研究。endprint

摘要：傳統(tǒng)的抗震設(shè)計對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性有特殊要求。本文介紹了提高混凝土梁延性的幾點具體措施，來提高對這一問題的認(rèn)識。

關(guān)鍵詞：混凝土梁 延性 設(shè)計

1 概述

建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計中，結(jié)構(gòu)及構(gòu)件需要一定的變形能力來保證在強烈地震下的可靠度。結(jié)構(gòu)和構(gòu)件在遭遇中強地震時的強度、剛度退化要與相關(guān)國家規(guī)范的規(guī)定相匹配。對于常見的多高層鋼筋混凝土房屋來說，“強柱弱梁、強墻弱連梁”的破壞機制與結(jié)構(gòu)在地震作用下的耗能能力和抗倒塌能力有關(guān)。關(guān)于框架梁、連梁的抗震性能的特殊要求，下文通過歸納分析來具體說明這一問題。

2 提高框架梁延性的措施

結(jié)構(gòu)的延性是指它在經(jīng)受塑性變形中仍能保持一定承載能力的性能。延性一般分為三個層次——材料的延性、構(gòu)件的延性和結(jié)構(gòu)的延性，可由下列公式表達：

材料的延性：με=εm/εy

構(gòu)件的延性：μθ=θm/θy

結(jié)構(gòu)的延性：μδ=δm/δy

式中εm、θm、δm分別為循環(huán)加載條件下材料最大應(yīng)變、構(gòu)件最大轉(zhuǎn)動能力和結(jié)構(gòu)最大水平位移；εy、θy、δy分別為材料、構(gòu)件和結(jié)構(gòu)開始屈服的應(yīng)變轉(zhuǎn)角和水平位移。在一般情況下με≥μθ≥μδ。要期望結(jié)構(gòu)達到一定的延性目標(biāo)，那么結(jié)構(gòu)中必然有相對較高延性的耗能構(gòu)件。對于混凝土結(jié)構(gòu)中的強柱-弱梁部分，框架梁的潛在塑性鉸區(qū)域需要有足夠的轉(zhuǎn)動延性。文獻[1]指出隨著梁受拉鋼筋配筋率的增大，開裂彎矩變化很小，雖然梁截面抗彎承載力得到了很大提高，但是梁截面的延性逐漸降低。圖1為文獻中的算例，梁截面寬度和高度為300x600mm，混凝土強度等級為C30，梁配筋率（鋼筋為HRB335級）與曲率延性相關(guān)曲線如圖所示。從圖1可以看出，隨著受拉鋼筋配筋率的加大，雖然梁截面抗彎能力逐漸增大了，但是梁截面的延性逐漸在減低。超筋梁延性會趨于0，呈現(xiàn)出脆性特征。對于單筋矩形框架梁來說，配筋率與梁的受壓區(qū)高度和有效高度的比ξb呈正比關(guān)系。控制梁的相對受壓區(qū)高度是保證截面延性的措施?！督ㄖ拐鹪O(shè)計規(guī)范》的條文說明解釋說：“當(dāng)相對受壓區(qū)高度為0.25～0.35范圍時，梁的位移延性系數(shù)可到達3～4”，工程實踐中必須滿足這樣的要求。因此，規(guī)范規(guī)定梁端計入受壓鋼筋的混凝土受壓區(qū)高度和有效高度之比，一級框架不應(yīng)大于0.25，二、三級不應(yīng)大于0.35[2]。

文獻[1]的結(jié)果還顯示受壓鋼筋的配置對梁的承載力影響不大，但是可以明顯改善梁的延性，如圖2所示。在受壓鋼筋一定時，隨受壓鋼筋配筋率的加大，梁截面的延性逐漸在增加。這說明了在梁截面高度受建筑功能的限制時，配置一定的受壓鋼筋是提高梁延性性能的有效途徑之一。

圖2 梁受壓鋼筋配筋率與曲率延性相關(guān)曲線

3 提高連梁延性的措施

由于建筑功能及結(jié)構(gòu)剛度的需求，剪力墻及筒體通常會有很多小高跨比的連梁（高跨比小于2.5），這種連梁豎向荷載偏小，主要用途是進行墻之間剪力的傳遞。其破壞模式往往不能避免剪切破壞的發(fā)生。只配常規(guī)箍筋的小跨高比連梁在剪壓比較高的情況下（不滿足規(guī)范中公式：Vw≤1/？姿RE（0.15βcfcbh0）），可能無法滿足延性的要求。圖3為一根最大抗彎能力及最大抗剪能力大致相等的連梁的抗彎及抗剪能力在非彈性變形增長過程中的不同退化規(guī)律。其中bc線表示受彎能力退化趨勢，bde線表示受剪能力的退化趨勢。由圖可知，這根梁的位移延性將由圖中d點的值確定[3]。為了提高這類構(gòu)件的延性能力，就必須有針對性地人為提高構(gòu)件的抗剪能力。對于此類構(gòu)件的設(shè)計，《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50017-2010中11.7.10條對此作了詳細(xì)的規(guī)定[4]。

此外，為了防止設(shè)計人員忽略受彎鋼筋數(shù)量的限制，特別是在計算配筋值很小而按構(gòu)造要求配置受彎鋼筋時，容易忽略“強剪弱彎”的要求?！陡邔咏ㄖ炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010給出了連梁的最大配筋率的限制，防止連梁的受彎鋼筋配置過多。如下表所示[5]。

表1 連梁縱向鋼筋的最大配筋率

■

4 結(jié)語

混凝土梁在結(jié)構(gòu)中通常作為抗震結(jié)構(gòu)的第一道防線，規(guī)范中對梁延性的相關(guān)要求不容忽視。在實踐過程中，應(yīng)當(dāng)按照我國相關(guān)規(guī)范規(guī)定設(shè)計施工：

①嚴(yán)格控制框架梁的相對受壓區(qū)高度；

②配置一定的受壓鋼筋是提高梁延性性能；

③對于剪壓比超限的小高跨比的連梁，除了限制受彎鋼筋數(shù)量，還要采取合適的構(gòu)造以加強其受剪承載力。例如，設(shè)水平縫形成雙連梁、多連梁，或采交叉斜筋、集中對角斜筋、對角暗撐等。

參考文獻：

[1]劉海峰，鄭鵬.不同配筋組合對鋼筋混凝土梁M-Φ曲線的影響[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2012，1第12卷第3期：586-589.

[2]GB50011-2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[3]皮天祥.鋼筋混凝土剪力墻小跨高比連梁抗震性能試驗和設(shè)計方法研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2008.

[4]GB50010-2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[5]JGJ3-2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

作者簡介：王欽強（1979-），男，工學(xué)碩士，主要從事土木工程教學(xué)研究。endprint