延性钢筋混凝土结构抗震设计
关键词：钢筋混凝土,框架结构,抗震设计,延性
前言
一座建筑物的抗震能力和安全性，不仅取决于构件的(静)承载力，还在很大程度上取决于其变形性能和动力响应，取决于结构吸收和耗散能量的多少，也就是说，结构的抗震能力是由承载力和变形两者共同决定的。承载力较低但具有很大延性的结构，所能吸收的能量多，虽然较早出现损坏，但能经受住较大变形，避免倒塌，而仅有较高强度而无塑性变形能力的脆性结构，吸收的能量少，一旦遇到超过设计水平的地震作用时，很容易因为脆性破坏而突然倒塌。钢筋混凝土框架结构是一种具有很高强度的框架结构，但在抗震设计时，仍然需要考虑其延性设计，只有真正将强度和延性统一到抗震设计中，才能减小建筑物在大地震中的损坏程度。
一、钢筋混凝土框架结构延性抗震设计的概念及优点
（一）概念
钢筋混凝土框架结构是我国的工业与民用建筑中一种常见的结构。实现延性框架是结构抗震设计的关键。延性框架的抗震设计概念，主要包括以下三个方面：
1、通过调整构件之间承载力的相对大小，实现合理的屈服机制，即“强柱弱梁”、“强墙肢弱连梁”、“强核芯区弱构件”；
2、通过调整构件斜截面承载力和正截面承载力之间的相对大小，实现构件延性破坏形态，即“强剪弱弯”；
3、通过采取抗震构造措施，使构件自身具有大的延性和耗能能力。
（二）优点
1、破坏前有明显预兆，破坏过程缓慢，确保生命安全，减少财产损失，因而可采用偏小的计算安全可靠度。
2、出现非预计荷载，例如偶然超载，荷载反向，温度升高或基础沉降引起附加内力等情况下，有较强的承受和抗衡能力。而这些因素在设计中一般是未予考虑的，因此延性材料的后期变形能力可作为出现上述情况的安全储备。
3、有利于实现超静定结构的内力充分重分布。延性结构容许构件的某些临界截面有一定的转动能力，形成塑性铰区域，产生内力重分布，从而使钢筋混凝土超静定结构能够按塑性方法进行设计，得到有利的弯矩分布，使配筋合理，节约材料，而且便于施工。
4、在承受动力作用（如振动、地震、爆炸等）情况下，能减小惯性力，吸收更大动能，降低动力反应，减轻破坏程度，防止结构倒塌以及有利于修复。
5、延性结构的后期变形能力，可以作为各种意外情况时的安全储备。
二、影响抗震结构延性设计的主要因素
（一）钢筋的配筋率
增加纵向钢筋配筋率，不仅可以提高结构构件的抵抗弯矩；同时也可以提高塑性铰的转动能力，进而增加结构的延性。
（二）箍筋配筋率
由实验研究可知，位移延性随着配箍率的增加而提高。箍筋间距越小,配箍率越大,延性的增长也越显著。增加配箍率,就是增加对混凝土横向变形的约束,提高混凝土的抗压强度。提高配箍率还可以提高混凝土的极限压应变,使其在混凝土受压区更均匀地分布,从而提高结构构件的极限位移值。
（三）材料的强度
提高混凝土的强度,则降低构件的轴压比,无疑可以提高构件的位移延性。但在纵向配筋率相同的条件下,提高混凝土标号等于减少钢筋在换算截面中所占的比重,也就意味着纵向钢筋配筋率的减少,反而会使位移延性降低。
（四）轴压比
试验表明,轴压比是影响压弯构件位移延性的最重要因素。当轴压比过大时,使压弯构件中钢筋的压应变增大,因此,截面必须转动更大的角度才能使受拉区钢筋屈服。这必然使屈服位移大大增加,从而导致构件延性的大幅降低。
三、钢筋混凝土结构的延性设计
（一）强柱弱梁
合理地选择框架结构破坏机理是框架结构延性设计的关键。强柱弱梁型对应的破坏机理系在框架梁上首先出现塑性铰，通过梁上塑性铰的形成来消耗巨大的地震作用，从而降低地震作用对结构的反应．当结构经受较大侧向位移时，要确保框架结构的稳定性，并维持它承受竖向荷载的能力，就必须要求非弹性变形一般只限于梁内，从而保证了框架柱具有足够的抗弯承载能力储备，大大减少柱端屈服的可能性。因此，框架结构应设计成强柱弱梁型，即要求框架节点处柱端实际受弯承载力要大于梁端实际受弯承载力，从而达到“强柱弱梁”的
计算要求。
（二）强剪弱弯
为使框架结构具有良好的延性，首先结构构件和节点不能发生脆性破坏。在强震作用下，结构的内力将按照各构件的实际承载能力进行重分配，为防止梁、柱端塑性铰区在弯曲屈服前出现脆性剪切破坏，就要求这些构件的受剪承载力大于构件屈服时实际达到的剪力值，这就是“强剪弱弯”的计算要求。框架结构“强剪弱弯”的设计原则主要由设计剪力的计算、抗剪承载力计算公式的选取以及必要的构造措施来体现。
1、设计剪力(作用效应)的计算与抗弯承载力的计算类似，按抗震等级的不同采用地震效应调整系数，但较抗弯承载力计算更严格，以相对提高抗剪承载力。同时为减少框架梁柱在非弹性反应区域内发生剪切破坏的危险，梁(柱)端部的设计剪力应与梁(柱)端部形成塑性铰后的极限抗弯强度相对应；
2、抗剪计算公式的选取主要表现为考虑到地震作用的反复性及剪切问题的离散性，采用在纵筋屈服后的偏下限抗剪承载力计算公式，并辅以一定的抗震构造措施。与抗弯承载力的计算类似，抗剪计算一方面需增大结构设计的可靠度(提高作用效应)，而且更为重要的是应根据结构延性要求的不同，即抗震等级的不同，提出不同的抗剪承载力计算公式。
（三）强节点、强锚固
为保证框架结构的延性，在梁铰机构充分发挥作用以前，框架节点、纵筋锚固不应过早破坏。框架节点破坏主要是因为节点处核心区箍筋数量不足，在剪力与压力的共同作用下，节点核心区砼出现斜裂缝，箍筋屈服甚至拉断，柱的纵筋被压屈甚至拉断而引起的。故规范通过保证核心区混凝土强度及配置足够数量的箍筋来防止节点核心区的过早剪切破坏，而强锚固要求则通过在静力设计锚固长度的基础上叠加一定的抗震附加锚固长度，利用钢筋锚固端的机械锚固措施等来实现。
四、构造措施上的延性保证
在结构布置上,按扩大了的柱端抗弯承载力进行设计,理论上可将柱屈服的可能性减少,保证“强柱弱梁”的设计原则。但因各种原因,如梁的实际抗弯承载力可能增大,高振型使柱中反弯点的转移等综合因素影响,要使柱中完全避免塑性铰是困难的,同时为实现“强剪弱弯”的要求,保证塑性铰区域的局部延性,也必须通过一定的构造措施来保证结构的延性,具体做法如下:
（一）限制轴压比与纵筋最大配筋率
合理的受力过程可明显提高构件延性,为实现受拉钢筋的屈服先与受压区混凝土压碎的破坏形态,以提高塑性铰区域的转动能力,规范限制轴压比与纵筋最大配筋率,同时对混凝土受压区高度也提出相应要求。
（二）限制约束配筋和配筋形式
加密塑性铰区内的箍筋间距是很重要的一点,为保证“强节点”、“强柱弱梁”、“强底层柱底”和“强剪弱弯”的设计原则及塑性铰区域的局部延性,有必要加密塑性铰区内的箍筋间距,这不但可提高柱端抗剪能力,还可约束核心区内混凝土,对纵向钢筋提供侧向支承,防止大变形下纵筋压曲,从而改善塑性铰区域的局部延性。
（三）限制材料
拒绝豆腐渣工程的第一关就是把握好原材料质量,材料延性对确保构件(结构)延性极为重要。
结语
钢筋混凝土框架结构是我国大量存在的建筑结构形式，建筑物越高，对结构延性的要求也越高。因此，在抗震设计时，必须深入贯彻“强柱弱梁”、“强剪弱弯”和“强节点、强锚固”的设计思想，并以强有力的构造措施来保证延性设计的成功实施，以达到我国“小震不坏、中震可修、大震不倒”的三水准抗震设防要求和延性设计思想，真正建设安全可靠的建筑结构，保证人民群众的生命财产安全。
参考文献
[1]史承明，邵士生，姜继方，张陵.钢筋混凝土框架结构抗震概念设计[J].建筑结构，2009.8
[2]任福民.钢筋混凝土建筑结构的抗震延性设计[J].辽东学院学报，2006.1.
[3]建筑抗震设计规范(gb50011-2010)[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.
本文选自国家级期刊《建筑知识》，《建筑知识》是由中国建筑学会主办、中国建设部主管的建筑刊物，国内统一刊号：CN11-1243/TU，国际标准刊号：ISSN1002-8544）。中国知网全文收录。《建筑知识》杂志论文刊登范围涉及建筑理论与设计、建筑结构、规划设计、建筑节能、园林绿化、工程管理、工程质量与管理、建设经济、建筑工程施工、工程技术、公路桥梁、建筑遗产等。