鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)延性設(shè)計要點分析

臧 瑤

（大連都市發(fā)展設(shè)計有限公司）

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)延性設(shè)計要點分析

臧 瑤

（大連都市發(fā)展設(shè)計有限公司）

建筑物的安全性和抗震能力是由構(gòu)件的承載力和變形性能、動力響應(yīng)、結(jié)構(gòu)吸收和耗散能量的多寡共同決定的。結(jié)構(gòu)塑性變形的能力及耗散能量能力的大小決定了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的延性大小，而保證結(jié)構(gòu)的延性是提高建筑抗震性能的重要措施。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；延性設(shè)計；要點分析

一、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)延性性能

所謂延性是指結(jié)構(gòu)構(gòu)件或截面受力超過彈性階段后，在承載力無明顯變化的情況下的后期變形能力，即最終破壞之前經(jīng)受非彈性變形能力。換而言之，延性實質(zhì)上是材料、截面、構(gòu)件或結(jié)構(gòu)保持一定的強(qiáng)度或承載力的塑性變形能力。

延性的大小用延性系數(shù)度量：μ=δu/δy，式中δ——構(gòu)件的應(yīng)變、截面的曲率、構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)角或位移；δu為屈服值，δy為極限值。材料延性是指材料的塑性變形能力，可用材料的本構(gòu)關(guān)系特征參數(shù)來定義：μC=εU/εY，式中εU為材料的屈服應(yīng)變，εY為材料強(qiáng)度沒有顯著降低時的極限應(yīng)變。

截面曲率延性。以彎曲變形為主的構(gòu)件進(jìn)入屈服階段后，塑性鉸的轉(zhuǎn)動能力與單位長度上蘇醒轉(zhuǎn)動能力，即轉(zhuǎn)動能力的曲率延性直接相關(guān)。曲率延性系數(shù)的計算式為：μ準(zhǔn)=準(zhǔn)u/準(zhǔn)y式中：準(zhǔn)u，準(zhǔn)y——分別為截面屈服曲率和極限曲率。

在抗震設(shè)防地區(qū)都應(yīng)當(dāng)將鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計成延性結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)經(jīng)過中等烈度的地震作用后，加以修復(fù)仍可繼續(xù)使用，在強(qiáng)地震下不至于倒塌，從而保證人們的生命安全。結(jié)構(gòu)延性在建筑抗震中有以下三點作用：實現(xiàn)塑性內(nèi)力重分布；防止結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞；承受非地震作用的偶然荷載。

二、影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)延性因素

箍筋的構(gòu)造要求。沿梁的縱向配置封閉的箍筋不但能防止脆性的剪切破壞，還可以對受壓區(qū)混凝土起約束作用。受到約束的混凝土，其極限壓應(yīng)變能提高。箍筋布置得越密，直徑越粗，其約束作用越大，對構(gòu)件的延性提高也越大。特別是超筋情況，箍筋對延性的影響就更顯著。

鋼筋屈服強(qiáng)度和縱向鋼筋配筋率。隨著鋼筋屈服強(qiáng)度和縱向鋼筋配筋率的提高，混凝土相對受壓區(qū)高度增大，截面延性降低。但混凝土受壓區(qū)配置受壓鋼筋可減少相對受壓區(qū)高度，改善構(gòu)件的延性。因此應(yīng)限制縱向受拉鋼筋的配筋率和高強(qiáng)鋼筋的使用，以保證結(jié)構(gòu)有足夠的延性。

軸壓比。柱的軸壓比是影響框架結(jié)構(gòu)延性的重要因素。柱的延性隨軸壓比增大而減小，軸壓比超過界限值將發(fā)生小偏壓脆性破壞。在抗震設(shè)計中應(yīng)控制柱的軸壓比不超過限值，使其發(fā)生大偏壓破壞并有較高的延性。規(guī)范規(guī)定，對于框剪相應(yīng)于一、二、三級抗震時，軸壓比限值分別為 0.7、0.8、0.9。在此規(guī)定的軸壓比限值是指柱軸壓比設(shè)計值與柱軸壓比承載力設(shè)計值的比值。

剪跨比λ。剪跨比是影響梁、柱極限變形能力的主要因素之一，反映了構(gòu)件截面承受的彎矩與剪力的相對大小，對構(gòu)件的破壞形態(tài)具有重要影響。根據(jù)剪跨比可將柱分為長柱（λ≥2）、短柱（1.5≤λ≤2）、極短柱（λ≤1.5）。通過大量試驗得知：長柱時單調(diào)荷載特別是低周反復(fù)荷載作用下一般發(fā)生延性較好的彎曲破懷，而短柱則一般發(fā)生延性較差的斜截面收件破壞、脆性破壞較矩形顯著。

材料強(qiáng)度?；炷翉?qiáng)度直接影響結(jié)構(gòu)抗剪承載力，特別是節(jié)點核心區(qū)因混凝土強(qiáng)度不足而開裂后破壞，提高混凝土強(qiáng)度等級則可提高節(jié)點核心區(qū)的承載力。不過對于承受一定荷載的框架，混凝土強(qiáng)度過高，則梁、柱的截面尺寸就會減小，混凝土的抗剪截面也相應(yīng)減小。在一定配箍率下，其抗剪承載力會有所下降，對其抗震性能反而不利；如果采用高強(qiáng)度混凝土，而目前有些施工單位的施工水平受限，事實上很難達(dá)到設(shè)計要求的強(qiáng)度等級。鋼筋變形直接影響結(jié)構(gòu)的延性，為使結(jié)構(gòu)在產(chǎn)生塑性鉸時有良好的變形能力來吸收或消耗能量，應(yīng)使用延展性較好的鋼筋。

三、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震延性設(shè)計

明確等級。影響地震作用及結(jié)構(gòu)側(cè)移大小的因素有以下三點：建筑場地越軟時，地震作用越大，建筑物的側(cè)移越大；地震烈度越高時，地震作用越大，建筑物的側(cè)移越大；建筑物高度越高時，地震作用越大，建筑物的側(cè)移越大。

設(shè)計原則。結(jié)構(gòu)延性設(shè)計要遵循一定的原則，平面布局要有規(guī)則性，豎向剛度的連續(xù)性，以“強(qiáng)節(jié)點，弱錨固”、“強(qiáng)剪弱彎”、“強(qiáng)柱弱梁”的延性框架進(jìn)行設(shè)計，并輔以必要的構(gòu)造措施來保證結(jié)構(gòu)局部薄弱區(qū)域的強(qiáng)度和剛度，以加強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性，增大延性，提高變形能力，體現(xiàn)“大震不倒”的思想。

首先，強(qiáng)節(jié)點，弱錨固。為保證框架結(jié)構(gòu)的延性，在梁鉸機(jī)構(gòu)充分發(fā)揮作用以前，框架節(jié)點、縱筋錨固不應(yīng)過早破壞，框架節(jié)點破壞主要是因為節(jié)電出核心區(qū)箍筋數(shù)量不足，在建立和壓力的共同作用下，節(jié)點核心區(qū)混凝土出現(xiàn)斜裂縫，箍筋屈服至拉斷，柱的縱筋被壓屈以至拉斷而引起的。故規(guī)范通過保證核心區(qū)混凝土強(qiáng)度及配置足夠數(shù)量的箍筋，來防止節(jié)點核心區(qū)的過早剪切破壞，而強(qiáng)錨固要求則通過在靜力設(shè)計錨固長度的基礎(chǔ)上疊加一定的抗震附加錨固長度，利用鋼筋錨固段的機(jī)械錨固措施來實現(xiàn)的。

其次，強(qiáng)剪弱彎?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的延性與均件的破壞形態(tài)有關(guān)，框架的抗震設(shè)計應(yīng)遵循“強(qiáng)剪弱彎”的設(shè)計原則，以減少在非彈性變形時發(fā)生剪切破壞的可能性?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的“強(qiáng)剪弱彎設(shè)計”原則主要是由設(shè)計剪力的計算、抗剪承載力計算公式的選取以及必要的構(gòu)造措施來實現(xiàn)。設(shè)計建立的計算與抗彎承載力的計算相類似，按抗震等級的不同采用地震效應(yīng)調(diào)整系數(shù)，但與抗彎承載力計算相比較更為嚴(yán)格，以相對提高抗彎承載力。同時為減少框架梁柱在非彈性反應(yīng)趨于發(fā)生剪切破壞的危險，梁柱端部的設(shè)計剪力應(yīng)與梁柱端部形成塑性鉸后的極限抗彎強(qiáng)度相對應(yīng)，抗剪計算公式的選取主要表現(xiàn)為考慮地震作用的反復(fù)性及剪切問題的離散性，采用在縱筋屈服后的偏下限抗彎承載力計算公式，并輔以抗震構(gòu)造措施。

最后，強(qiáng)柱弱梁?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的延性與塑性鉸分布的部位有關(guān)，若梁中先出現(xiàn)塑性鉸形成梁鉸結(jié)構(gòu)，則塑性鉸分布較均勻，每個塑性鉸所要求的彈性變形量也較小，而且兩端結(jié)構(gòu)的延性要求也比較容易實現(xiàn)。而若柱中出現(xiàn)塑性鉸而形成柱鉸結(jié)構(gòu)，非彈性變形就集中在某一層的柱中，對柱的延性提出極高的要求，二者往往很難實現(xiàn)，且柱鉸機(jī)構(gòu)伴隨較大的層間位移，不僅容易引起不穩(wěn)定問題，還會引起結(jié)構(gòu)承受豎向荷載，導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)坍塌。在經(jīng)受較大側(cè)向位移時，未能確?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并能維持它承受豎向荷載的能力，必須要求非彈性變形一般只限于梁內(nèi)，即要求在設(shè)計荷載下統(tǒng)一節(jié)點上柱段截面積限彎矩的綜合大于梁端極限彎矩總和，這就是所謂的強(qiáng)柱弱梁，既保證了框架柱具有足夠的抗彎承載能力儲備，又大大減少了柱段屈服的可能性。

四、結(jié)語

延性好的結(jié)構(gòu)，塑性變形能力大，強(qiáng)度或承載能力降低緩慢，從而有足夠大的能力吸收和耗散地震能量，結(jié)構(gòu)破壞過程比較長，破壞前有明顯征兆，若能及早采取措施則可避免傷亡事故發(fā)生和建筑物的全面崩潰。延性差的結(jié)構(gòu)，達(dá)到最大承載力后承載力迅速降低，變形能力小，破壞時會突然發(fā)生脆性破壞，破壞后果較為嚴(yán)重，引起結(jié)構(gòu)倒塌。因此，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)延性設(shè)計的要點就要做到“小震不壞、中震可修、大震不倒”。

[1]周定松/呂西林/蔣歡軍：《鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計方法》[J]四川建筑科學(xué)研究，2005(06)

[2]梁興文/鄧明科/李曉文：《鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)基于位移的抗震設(shè)計方法研究》[J]建筑結(jié)構(gòu)，2006(07)

[3]高小旺/沈聚敏：《“大震”作用下鋼筋混凝土框架房屋變形能力的抗震可靠度分析》[J]，土木工程學(xué)報，1993(03)

[4]門進(jìn)杰/史慶軒：《鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計指標(biāo)》[J]. 四川建筑科學(xué)研究，2007(S1)

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