鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震延性設(shè)計(jì)分析

馮 鵬

貴州省建筑科研設(shè)計(jì)院有限公司

1 引言

根據(jù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的實(shí)際使用情況分析可知，其抗震能力不僅受到構(gòu)件承載力的影響，在一定程度上也受到其變形能力、動(dòng)力響應(yīng)的影響，簡(jiǎn)單而言，建筑結(jié)構(gòu)消耗、吸收地震能量的能力越強(qiáng)，則在地震作用下的安全性越好，避免出現(xiàn)全面倒塌事故。由此，在進(jìn)行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)，延性的合理控制是十分關(guān)鍵的，通過有效提高結(jié)構(gòu)與構(gòu)件的塑性變形能力，可確保結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損壞后依舊可以承受較大變形，最大限度地減小地震災(zāi)害造成的損失。

在對(duì)混凝土構(gòu)建構(gòu)造的過程中除了需要滿足建筑物對(duì)其強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等方面的要求之外，還需要確?；炷翗?gòu)建構(gòu)筑良好的延展性。影響混凝土構(gòu)件的延性主要有以下幾個(gè)方面的因素。

（1）延性被破壞的過程。

（2）在調(diào)整和適應(yīng)動(dòng)力何在的過程中，會(huì)產(chǎn)生附加內(nèi)力和變形。

（3）混凝土連續(xù)梁板和框架超靜定結(jié)構(gòu)塑性設(shè)計(jì)，要求某些截面能夠形成塑性鉸，這樣有利于重力重新分布的實(shí)現(xiàn)。

（4）為了確保所建設(shè)的建筑物就良好的抗震性能，就需要該建筑物在建設(shè)過程中所使用的混凝土構(gòu)建具有良好的延展性。

因?yàn)榛炷翗?gòu)件的延性能夠吸收，在地震條件下所產(chǎn)生的能量，進(jìn)而降低建筑物在地震狀態(tài)下的動(dòng)力反應(yīng)，延性設(shè)計(jì)在實(shí)際工程中有以下幾個(gè)方面的意義。

第一，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中增加一些延性設(shè)計(jì)延性設(shè)計(jì)可以給人民群眾的生命安全帶來更加全面的保障，同時(shí)也可以降低在一些重大災(zāi)難中的經(jīng)濟(jì)損失；

第二，當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)偶然超載現(xiàn)象時(shí)，荷載反向,溫度升高或基礎(chǔ)沉降都會(huì)引起附加內(nèi)力等情況，有較強(qiáng)的承受和抗衡能力。

第三，延性設(shè)計(jì)可以促使建筑物內(nèi)部的力量可以重新分布。

第四，在建筑結(jié)構(gòu)中增加延性設(shè)計(jì)，可以確保建筑物在承受動(dòng)力的情況下慣性可以大幅度的降低。因?yàn)檠有栽O(shè)計(jì)能夠減小慣性力，所以能夠降低物質(zhì)所承受的動(dòng)力，從而使得建筑物坍塌的概率大幅度降低。

因此，為了能夠?yàn)楦鞣N意外情況的發(fā)生提供足夠的安全儲(chǔ)備，在各種建筑物設(shè)計(jì)的過程中增加一些延性設(shè)計(jì)是非常有必要的。

2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的延性問題分析

根據(jù)我國(guó)建筑調(diào)查情況分析可知，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用是最為普遍的，其需具有足夠的強(qiáng)度、延性、整體性，方可具備良好的抗震能力。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下，需具備足夠的抵抗力、保持足夠的延性要求，方可實(shí)現(xiàn)“小震不壞，中震可修，大震不倒”。

所謂延性，指的是結(jié)構(gòu)構(gòu)件、截面等受力超過彈性階段后，承載力無顯著變化時(shí)的后期變形能力，即：構(gòu)件破壞前的經(jīng)受非彈性變形能力，相關(guān)延性系數(shù)包括：材料延性、截面曲率延性、構(gòu)件的位移延性、結(jié)構(gòu)位移延性等。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震能力，在一定程度上可以看作是其變形能力、耗能能力，由此，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)延性設(shè)計(jì)，可有效依靠結(jié)構(gòu)的彈塑性變形，消耗、吸收地震能力，令屈服部分發(fā)生延性破壞，避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)整體倒塌的情況。由此，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，必須將“延性問題”納入重點(diǎn)考慮，合理把控結(jié)構(gòu)塑性變形能力，保證結(jié)構(gòu)安全。

3 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)延性影響因素

根據(jù)實(shí)踐分析可知，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，合理控制材料強(qiáng)度、軸壓比等，可獲得較好的延性參數(shù)，下文主要對(duì)影響延性的幾方面因素進(jìn)行分析。

（1）材料強(qiáng)度：混凝土的強(qiáng)度直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的抗剪承載力，尤其是對(duì)于節(jié)點(diǎn)核心區(qū)而言，若是混凝土出現(xiàn)強(qiáng)度不夠的情況，則將直接出現(xiàn)開裂的情況，同時(shí)若是混凝土的強(qiáng)度過高，梁、柱截面尺寸減小，混凝土抗剪截面縮小，有可能出現(xiàn)抗震不利的情況；鋼筋變形能力直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)延性，因此選擇延展性好的鋼筋材料十分重要。

（2）軸壓比：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)，柱的軸壓比控制在限值以內(nèi)十分重要，軸壓比增大，柱的延性會(huì)相應(yīng)減小，其直接關(guān)系到地震作用下結(jié)構(gòu)是否會(huì)發(fā)生大偏壓破壞的問題。

（3）箍筋構(gòu)造：沿梁設(shè)置封閉箍筋可有效約束受壓區(qū)混凝土，提高其極限壓應(yīng)變能力，箍筋越密構(gòu)件延性越大，但是抗震設(shè)計(jì)時(shí)還需考慮施工可行性、經(jīng)濟(jì)性問題。

（4）剪跨比：剪跨比直接關(guān)系到梁、柱極限變形能力，剪跨比＞2 為長(zhǎng)柱，多為延性較好彎曲破壞；剪跨比≤2 為短柱，延性較差，多為脆性破壞。

4 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震延性設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

在進(jìn)行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震延性設(shè)計(jì)時(shí)，需著重把控好以下幾點(diǎn)。

4.1.1 強(qiáng)“柱”弱“梁”

根據(jù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)震害發(fā)生情況來看，塑性鉸的分布直接影響結(jié)構(gòu)延性，即：框架梁先出現(xiàn)梁鉸結(jié)構(gòu)，塑性鉸分布較為均勻，抗震延性好；框架柱先出現(xiàn)柱鉸結(jié)構(gòu)，則抗震延性較弱，由此在進(jìn)行抗震延性設(shè)計(jì)時(shí)，強(qiáng)“柱”弱“梁”是一大關(guān)鍵點(diǎn)?；趶?qiáng)“柱”弱“梁”設(shè)計(jì)下，柱端抗彎能力需強(qiáng)于梁端，確保地震出現(xiàn)時(shí)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的框架梁先形成塑性鉸，有效消耗更多的地震能量，維護(hù)整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全性，防止出現(xiàn)倒塌破壞。

4.1.2 強(qiáng)“剪”弱“彎”

對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)而言，一旦發(fā)生震害，結(jié)構(gòu)會(huì)根據(jù)構(gòu)件實(shí)際承受能力進(jìn)行內(nèi)力的重新分配，因此在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，為防止框架節(jié)點(diǎn)、結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)脆性破壞的情況，做好強(qiáng)“剪”弱“彎”設(shè)計(jì)十分重要，即：結(jié)構(gòu)構(gòu)件受剪承載力高于構(gòu)件屈服時(shí)的剪力。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)“剪”弱“彎設(shè)計(jì)要點(diǎn)包括：抗剪承載力計(jì)算、設(shè)計(jì)剪力計(jì)算以及構(gòu)造措施確定。根據(jù)實(shí)踐可知，不同建筑物需根據(jù)區(qū)域抗震設(shè)防烈度、結(jié)構(gòu)安全等級(jí)、場(chǎng)地類別等參數(shù)，合理確定抗震等級(jí)與性能目標(biāo)，由此選擇相應(yīng)的抗剪承載力的計(jì)算公式，確保計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況相符，結(jié)構(gòu)延性設(shè)計(jì)結(jié)果滿足要求。

4.1.3 強(qiáng)“節(jié)點(diǎn)”強(qiáng)“錨固”

在進(jìn)行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)，框架節(jié)點(diǎn)是延性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)，不得出現(xiàn)早期破壞?？蚣芄?jié)點(diǎn)承受著剪力、壓力的雙重作用，需規(guī)范進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)、設(shè)置足夠的箍筋，保證其強(qiáng)度、延性均滿足要求；同時(shí)合理增加抗震附加錨固長(zhǎng)度，提高縱筋錨固強(qiáng)度。

4.2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的延性保證

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中對(duì)其結(jié)構(gòu)延展性有影響的因素有以下幾種：鋼筋的塑形變形性能、混凝土的韌性、鋼筋與混凝土的粘接錨固性能。構(gòu)成鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的原材料的性能都會(huì)對(duì)其結(jié)構(gòu)的延性有影響作用。為了確保所建設(shè)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有良好的延展性，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建造的過程中所使用的構(gòu)件應(yīng)當(dāng)選用延展率較大、與混凝土黏結(jié)性較好的I、亞級(jí)鋼筋。而一些延展率較低的鋼筋，如冷拉鋼筋、高強(qiáng)鋼筋和鋼絞線一般適用于鋼筋配置預(yù)應(yīng)力較低的混凝土結(jié)構(gòu)。在配置熱軋非預(yù)應(yīng)力鋼筋時(shí)不僅需要確保所選擇的鋼筋指數(shù)在確定的范圍內(nèi)，而且還需要選擇適當(dāng)?shù)膶?gòu)造，從而確保所所構(gòu)建的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的延展性能夠滿足建筑物抗震的需求。

4.2.1 框架柱對(duì)延性的構(gòu)造要求

為了使得梁端區(qū)域具有較好的延性，在梁端區(qū)域建設(shè)的過程中通過采用抗震構(gòu)造的方案來確保其延性能夠達(dá)到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。并且在梁端域建設(shè)的過程中通過采用強(qiáng)柱弱梁的方式來使得框架柱的延性構(gòu)造能夠達(dá)到建筑需求。在建筑框架梁設(shè)計(jì)的過程中，可以通過采用控制梁端截面混凝土受壓區(qū)域的高度來達(dá)到控制梁端塑性鉸區(qū)的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)力可以提高的目的，昨兒確保所設(shè)計(jì)的框架梁端截面具有較大的曲率延性。通過一系列的實(shí)驗(yàn)研究可以得出，所設(shè)計(jì)的框架梁的受壓區(qū)高度越大就會(huì)導(dǎo)致梁的延性越小。依據(jù)國(guó)內(nèi)外與框架柱對(duì)延性構(gòu)造的研究可以得出以下結(jié)論：當(dāng)框架梁受壓區(qū)的高度控制在0.25～0.35這個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)，梁柱的位移延性可以達(dá)到4.0～3.0左右。

4.2.2 框架柱對(duì)延性的構(gòu)造要求

柱的軸壓比對(duì)框架結(jié)構(gòu)延性會(huì)產(chǎn)生重要的影響作用。經(jīng)過一個(gè)月的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，柱的軸壓比越大就會(huì)導(dǎo)致柱的延展性越低，當(dāng)柱的軸壓比超過一定的范圍內(nèi)，就會(huì)導(dǎo)致其發(fā)生小偏壓比被破壞。在建筑物抗震設(shè)計(jì)的過程中應(yīng)當(dāng)確保所設(shè)計(jì)的軸壓比不能超過限定范圍,這樣可以有效地避免因發(fā)生大偏壓而導(dǎo)致框架柱的延展性被破壞現(xiàn)象的發(fā)生。依據(jù)相關(guān)的抗震規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，框架柱相應(yīng)于一、二、三級(jí)抗震時(shí)相對(duì)應(yīng)的軸壓比限值應(yīng)當(dāng)為0.65 0.75、0.85。這里所謂的軸壓比限值指的是柱軸壓力設(shè)計(jì)值與柱軸壓力承載設(shè)計(jì)值之間的比值。為了能夠有效地預(yù)防在地震的作用下，柱子少筋脆性被破壞和超筋聯(lián)結(jié)被列破壞所設(shè)計(jì)的柱的縱向配筋率不能夠低于0.8%.0.7%.0.6%、0.5%(這些數(shù)值對(duì)應(yīng)于一、二,三、四級(jí)抗震等級(jí))。

4.2.3 箍筋的構(gòu)造要求

在箍筋構(gòu)造設(shè)計(jì)的過程中需要提高構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的抗剪能力，所以這就要求設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)的過程中就需要以強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、強(qiáng)錨固為設(shè)計(jì)原則，從而使得的構(gòu)造的延性和耗能能力可以得到有效的改善。梁和柱的剪切破壞區(qū)和灣雅塑角需都可以發(fā)生在箍筋構(gòu)件的兩端，因此應(yīng)當(dāng)在固定的兩端進(jìn)行加密。加密區(qū)的構(gòu)造主要包括以下幾個(gè)方面：加密區(qū)的長(zhǎng)度、箍筋最小直徑等。其中加密區(qū)和節(jié)點(diǎn)的顧金最小體積率等與抗震系數(shù)之間有密切的關(guān)系，所以在箍筋構(gòu)造的過程中需要嚴(yán)格按照相關(guān)的數(shù)據(jù)開展設(shè)計(jì)，少兒有效地實(shí)現(xiàn)大震不倒的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4.3 結(jié)構(gòu)延性含義

結(jié)構(gòu)延性指的是建筑結(jié)構(gòu)的某個(gè)橫截面從開始承受力到承受最大的核載力之間沒有發(fā)生明顯的變形而不斷增加的能力。因?yàn)槲覈?guó)有一部分的地區(qū)處于太平洋地震帶，所以發(fā)生地震自然災(zāi)害的頻率較高，自從我國(guó)發(fā)生了幾次重大地震之后，抗震和防震已經(jīng)成為建筑物行業(yè)的焦點(diǎn)。對(duì)地震發(fā)生原理進(jìn)行分析可以得出，在地震發(fā)生的情況下，其產(chǎn)生的歷史一種低周期、不斷循環(huán)的力作用與建筑物結(jié)構(gòu)。然而，建筑結(jié)構(gòu)的延展性可以允許這部分力可以不斷地循環(huán)，并通過部分構(gòu)建所承載的力以能量的行駛不斷地進(jìn)行輸出和轉(zhuǎn)化，這樣可以大幅度的降低建筑物在地震狀況下發(fā)生的倒塌的概率。

4.4 案例分析

本文通過對(duì)某鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)延性抗震設(shè)計(jì)情況的分析，為類似項(xiàng)目提供有價(jià)值的參考。此項(xiàng)目總建筑面積9864m2，地上31 層、地下3 層，地上1～2 層為公共區(qū)域，3～24 層為客房，25～31層為餐廳。此項(xiàng)目采取了延性抗震設(shè)計(jì)方法，具體體現(xiàn)如下。

（1）暗柱設(shè)計(jì)：本項(xiàng)目矩形剪力墻兩端、筒體轉(zhuǎn)角位置，均設(shè)置300×800 暗柱；地上3～31 層墻厚經(jīng)計(jì)算分析后，由原本的500mm 改為300mm，內(nèi)側(cè)與筒體相連位置依舊采用500×700 端柱，同時(shí)連梁寬度設(shè)計(jì)為500mm，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)“剪”弱“彎”設(shè)計(jì)。

（2）分區(qū)設(shè)計(jì)：將建筑物分為三個(gè)區(qū)段，分別選用不同構(gòu)造與配筋率：①加強(qiáng)區(qū)：地下1～3層+地上30～31層+屋頂塔樓；②過渡區(qū)：地上5～6層+地上23～24層；③一般區(qū)：其余各層。

（3）配筋計(jì)算：連梁、加強(qiáng)區(qū)墻肢配筋計(jì)算采取強(qiáng)“剪”弱“彎”設(shè)計(jì)方法，具體根據(jù)區(qū)段情況確定加大系數(shù)。

（4）箍筋設(shè)計(jì)：暗柱箍筋間距≤200mm，加強(qiáng)區(qū)沿柱全高箍筋、拉筋間距100mm。

5 結(jié)語

綜上所述，在進(jìn)行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)，延性設(shè)計(jì)是一大關(guān)鍵點(diǎn)，其直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)、構(gòu)件能否具備較好的變形能力，從而有效消耗、吸收地震能量，真正實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下不出現(xiàn)倒塌的情況，最大限度地保證人員安全。在進(jìn)行抗震延性設(shè)計(jì)時(shí)，強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)強(qiáng)錨固是基本設(shè)計(jì)要點(diǎn)，具體需進(jìn)一步加強(qiáng)結(jié)構(gòu)與變形能力、構(gòu)件之間的關(guān)系，科學(xué)開展相關(guān)計(jì)算分析工作，合理選取梁柱規(guī)格、配筋率、箍筋間距等參數(shù)，切實(shí)保證結(jié)構(gòu)安全可靠的同時(shí)，也具有較好的經(jīng)濟(jì)性。總而言之，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的過程中加入延性設(shè)計(jì)是十分有必要的，這樣不僅可以幫助建筑物結(jié)構(gòu)在地震的條件下將動(dòng)能不斷地進(jìn)行輸出和轉(zhuǎn)化，同時(shí)也能夠大幅度的降低建筑物在地震情況下發(fā)生倒塌的概率。除此之外，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能的設(shè)計(jì)可以為廣大人民群眾的生命安全帶來更加可靠的安全保障。