1、鋼筋混凝土建筑結構的抗震延性設計研究摘要：增強結構延性是提高建筑抗震性能的重要措施，所以地震區的建筑結構應設計成延性結構。為了合理提高抗震結構的延性性能，應對抗震概念設計和構造措施予以重視，合適的概念設計和構造措施對結構的延性起著至關重要的作用。關鍵詞：抗震設計；建筑結構；耗能；延性Abstract: Enhanced ductility is an important measure to improve building seismic performance, so the architectural structure of the earthquake zone should be
2、designed as a ductile structure. Reasonable to improve the ductility of the seismic structure, to cope with the seismic concept design and construction measures to be attached to the concept of design, and construction of measures the ductility of the structure plays a vital role.Key words: seismic
3、design; building structure; energy consumption; ductility一 建筑結構抗震延性設計的內涵結構延性是指構件和結構在屈服后，具有承載力不降低或者基本不降低，且具有足夠塑性變形能力的一種性能。結構的延性常常用延性比來表示。其含義有四層：整體與局部的協同；結構整體延性；構件延性；節點延性。結構概念設計是指在計算或設計中，對難以做出具體規定的問題，運用力學、材料等相關知識進行概念的分析判斷，合理選用材料、結構形式，控制產生塑性鉸的順序和位置并采取相應措施實現通過塑性鉸區域的變形，能夠有效地吸收和耗散地震能量；同時，這種變形降低了結構的剛度，致使結構
4、在地震作用下的反應減小，也就是使地震對結構的作用力減小，以達到提高結構延性合理抗震設計的目的。二提高結構整體延性的原則和重要性結構整體延性設計的獲得主要依賴于建筑材料選擇，結構及結構體系的合理布置，對框架梁、柱、節點的合理設計及采取的相關構造措施實現。結構體系上設置和控制塑性鉸出現的順序、位置、轉動能力，塑性鉸出現和轉動量大小依次應為板、連續梁、框架梁、框架柱。框架梁、柱塑性鉸應距節點適當位置。結構形式上對于高層建筑多使用鋼骨一混凝土組合結構，或者是鋼管混凝土結構，尤其是鋼管混凝土，更將這兩種材料能動地結合起來，鋼管混凝土借助鋼管對核心混凝土的約束，使鋼管混凝土結構具備了高剛度、高抗力和更大的
5、變形能力，而填充混凝土則可以減少鋼管的局部屈曲變形，防止隨之而來的鋼管抗力的下降，且因混凝填滿了整個鋼管，不易出現一般鋼筋混凝土和鋼骨混凝土結構中發生的混凝土開裂、脫落現象，依靠套箍作用提高了混凝土的抗壓強度和延性。 目前，結構抗震設計的基本原則是：“ 小震不壞，中震可修，大震不倒”。如果把建筑物設計成在強烈地震作用下仍呈彈性反應，那么建筑物的造價將是十分昂貴的。把建筑物設計成在強烈地震作用下呈非線性反應，進入屈服狀態，靠結構的延性耗散地震能量，從而度過災難而不倒塌，建筑物的造價比前者大大降低。此外，結構的延性也是建筑物遇到意外超載、碰撞、爆炸和基礎沉降等引起超過設計預計的內力和變形是而不突然
6、倒塌的保證。在現代房屋結構設計中，延性研究越來越顯得重要，鋼筋混凝土結構延性的研究是塑性設計方法和抗震設計理論發展的基礎。所謂延性是指材料、構件和結構在荷載作用下，進入非線性狀態后在承載能力沒有顯著降低情況下的變形能力。描寫延性常用的變量有：材料的韌性，截面的曲率延性系數，構件或結構的位移延性系數，塑性鉸轉角能力，滯回曲線，耗能能力等。試驗和非線性計算分析表明：構件的結構的破壞由受拉鋼筋引起的，常表現出良好的延性，如適筋梁、大偏心受壓柱等；而破壞由混凝土拉斷、剪壞和壓潰控制的常表現為脆性，如素混凝土板、超盡梁、地震作用下剪切破壞的短柱等。在地震作用下，混凝土結構或構件的破壞可分為脆性破壞和延性
7、破壞兩種，其中脆性破壞的危害時非常大的，設計上是一定要避免的，而延性破壞時指構件承載力沒有顯著降低的情況下，經歷很大的非線性變形后所發生的破壞，在破壞前能給人以警示。鋼筋混凝土結構的各類構件應具有必要的強度和剛度，并具有良好的延性性能，避免構件的脆性破壞，從而導致主體結構受力不合理，地震時出現過早破壞。因此，可以采取措施，做好延性設計，防止構件在地震作用下提前破壞，并避免結構體系出現不應有的破壞。三鋼筋混凝土結構的延性抗震設計結構遭遇罕遇大震時，將進人塑性階段而產生較大變形，要求結構在保持一定承載能力的條件下通過塑性變形來吸收地震能量，以提高結構的抗震能力，因此，鋼筋砼結構抗震設計均要求結構滿
8、足基本的設計準則，如平面布局的規則性，豎向剛度的連續性等，并要求實現以“強柱弱梁，強剪弱彎，強節點、強錨固”的延性框架概念設計，并輔以必要的構造措施來保證結構局部薄弱區域的強度與剛度，以加強結構的整體性，增強延性，從而提高變形能力。1 強柱弱梁合理地選擇框架結構破壞機理是框架結構延性設計的關鍵。強柱弱梁型對應的破壞機理系在框架梁上首先出現塑性鉸，通過梁上塑性鉸的形成來消耗巨大的地震作用，從而降低地震作用對結構的反應當結構經受較大側向位移時，要確保框架結構的穩定性，并維持它承受豎向荷載的能力，就必須要求非彈性變形一般只限于梁內，從而保證了框架柱具有足夠的抗彎承載能力儲備，大大減少柱端屈服的可能性
9、。因此，框架結構應設計成強柱弱梁型，即要求框架節點處柱端實際受彎承載力要大于梁端實際受彎承載力，從而達到“強柱弱梁”的計算要求。2 強剪弱彎為使框架結構具有良好的延性，首先結構構件和節點不能發生脆性破壞。在強震作用下，結構的內力將按照各構件的實際承載能力進行重分配，為防止梁、柱端塑性鉸區在彎曲屈服前出現脆性剪切破壞，就要求這些構件的受剪承載力大于構件屈服時實際達到的剪力值，這就是“強剪弱彎”的計算要求?？蚣芙Y構“強剪弱彎”的設計原則主要由設計剪力的計算、抗剪承載力計算公式的選取以及必要的構造措施來體現。(1)設計剪力(作用效應)的計算與抗彎承載力的計算類似，按抗震等級的不同采用地震效應調整系數
10、，但較抗彎承載力計算更嚴格，以相對提高抗剪承載力。同時為減少框架梁柱在非彈性反應區域內發生剪切破壞的危險，梁(柱)端部的設計剪力應與梁(柱)端部形成塑性鉸后的極限抗彎強度相對應；(2)抗剪計算公式的選取主要表現為考慮到地震作用的反復性及剪切問題的離散性，采用在縱筋屈服后的偏下限抗剪承載力計算公式，并輔以一定的抗震構造措施。與抗彎承載力的計算類似，抗剪計算一方面需增大結構設計的可靠度(提高作用效應)，而且更為重要的是應根據結構延性要求的不同，即抗震等級的不同，提出不同的抗剪承載力計算公式。3 強節點強錨固梁柱節點是保證框架結構延性的關鍵部位，這就要求在梁鉸機構充分發揮作用以前，框架節點和縱筋錨固
11、不應過早破壞?？蚣芄濣c破壞主要是因為節點處核心區箍筋數量不足，在剪力與壓力的共同作用下，節點核心區砼出現斜裂縫，箍筋屈服甚至拉斷，柱的縱筋被壓屈甚至拉斷而引起的。故規范通過保證核心區砼強度及配置足夠數量的箍筋來防止節點核心區的過早剪切破壞，而強錨固要求則通過在靜力設計錨固長度的基礎上疊加一定的抗震附加錨固長度，利用鋼筋錨固端的機械錨固措施等來實現的。為保證梁柱屈服后節點仍對其有約束作用，框架節點設計應嚴格按照相關的規范進行。 四保證建筑結構抗震延性的整體措施（1）軸壓比限值：柱的軸壓比是影響框架結構延性的重要因素。柱的延性隨軸壓比增大而減小，軸壓比超過界限值將發生小偏壓脆性破壞。在抗震設計中應
12、控制柱的軸壓比不超過限值，使其發生大偏壓破壞并具有一定延性。規范規定，對于框架柱相應于一、二、三級抗震時，軸壓比限值分別為0.7、0.8、0.9。這里規定的軸壓比限值系指柱軸壓力設計值與柱軸壓承載力設計值得比值。（2）縱筋的構造要求：梁的延性隨截面受壓區高度減小而增大，一般截面受壓區高度=0.350.20ho時，位移延性系數相應為34。所以規范規定，一級抗震等級時，0.25ho，二、三級抗震等級時，0.35h0，并且要求受壓鋼筋與受拉鋼筋之比控制在一定范圍內，即A s0.5As（一級抗震），A s0.3As（二級抗震）。為防止過多的縱向受拉鋼筋在地震中使梁產生粘結劈裂破壞，規范還規定s2.5%
13、。在地震作用下，梁的反彎點變化很難準確預計，所以應有足夠數量的鋼筋貫通梁的上、下部。同時將梁的最小配筋率比非地震作用時的規定予以提高。為防止地震作用下柱子少筋脆性破壞和超筋粘結劈裂破壞，柱的縱向配筋率不得少于0.8%、0.7%、0.6%、0.5%、（相應于一、二、三、四級抗震等級），角柱的上述限值相應提高0.1%；柱的縱向配筋率最大間距不宜超過200 mm。（3）箍筋的構造要求：箍筋不僅提供構件和節點的抗剪能力，確?！皬娭趿骸焙汀皬姽濣c”設計目標的實現，同時還對梁、柱塑性鉸區混凝土和受壓鋼筋提供約束作用，延緩塑性鉸的破壞過程，從而改善結構的延性和耗能能力。梁和柱的剪切破壞區和彎壓塑性鉸區均發
14、生在構件的兩端，因此應對構件兩端的箍筋加密設置。加密區的構造要求包括加密區的長度、箍筋最小直徑、最大間距和最小體積率的規定。同時規范還規定了箍筋延構件全長的最小體積率以及節點的最小體積率。其中柱加密區和節點的箍緊最小體積率除與抗震等級有關外，還與柱的軸壓比和箍筋的類型有關?？拐鸬燃壐咭蟮淖钚◇w積率高、軸壓比高要求的最小體積率高，采用普通箍筋比采用螺旋箍筋要求的體積率高。對于一級抗震的角柱在地震作用下可能伴隨扭轉作用，Hn/h 小于4 的框架柱可能產生剪切破壞，這兩種情況需要在全長加密箍筋。可見箍筋的構造規定是保證“大震不倒”設計目標實現的最重要的措施?？傊?，我國現行抗震規范(GB500112
15、001)對框架結構的延性設計著重在概念設計，但框架結構在進入彈塑性階段后的抗震性能主要還是依靠抗震措施來保證。框架結構的抗震等級與變形能力及其與構件的變形能力至今仍無明顯的定量關系。在框架結構的延性設計中如何實現其在抗震措施的定量化并在設計中付諸實施，仍是一個值得大家共同研究、探討的問題。參考文獻：1GB500112001，建筑抗震設計規范S2GB500102002，混凝土結構設計規范S3左宏亮，戴納新，王濤建筑結構抗震M北京：中國水利水電出版社，20094郝進鋒，王振地震區城鎮建筑框架結構概念設計J世界地震工程，2007(3)：1201235尚建寧多層鋼筋混凝土框架結構抗震設計J山西建筑，2007，33(3)：1718
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