钢筋混凝土框架结构的延性设计

廖辉

“强柱弱梁”、“强剪弱弯”等是建筑结构设计中非常重要的概念。简单地说，虽然整个结构体系是由各种构件协调组成一体，但各个构件担任的角色不尽相同，按照其重要性也就有轻重之分。一旦不可意料的破坏力量突然袭来，各个构件协作抵抗的目的，就是为了保住最重要的构件免遭摧毁或者至少是最后才遭摧毁，在建筑结构中，柱倒了，梁会跟着倒；而梁倒了，柱还可以不倒的。可见柱承担的责任比梁大，柱不能先倒。为了保证柱是在最后失效，我们故意把梁设计成相对薄弱的环节，使其破坏在先，以最大限度减少可能出现的损失。以下就钢筋混凝土框架结构的主要构件来分别阐述延性设计的理念。

什么是混凝土框架强柱弱梁的概念设计？

由于梁截面高度较高，且与现浇楼板组成T形截面构件共同工作，形成强梁弱柱，导致柱子破坏，房屋倒塌。框架结构的弹塑性分析表明，强震作用下，梁端实际达到的弯矩与其正截面受弯承载力是相等的，柱端实际达到的弯矩也与其偏压下的受弯承载力相等。这是地震作用效应的一个特点。因此，所谓“强柱弱梁”指的是：节点处梁端实际受弯承载力 和柱端实际受弯承载力 之间满足下列不等式：

这种概念设计，由于地震的复杂性、楼板的影响和钢筋屈服强度的超强，难以通过精确的计算真正实现。国外的抗震规范多以设计承载力来衡量或将钢筋抗拉强度乘以超强系数来实现。《建筑抗震设计规范》的规定，只在一定程度上减缓柱端的屈服。一般采用适当增大柱端弯矩设计值的方法，其取值体现了抗震等级的差异。

具体的做法

第一，柱剪跨比限制 。剪跨比反映了构件截面承受的弯矩与剪力的相对大小。它是影响柱极限变形能力的主要因素之一，对构件的破坏形态有很重要的影响。 因此柱的剪跨比宜控制在2.0以上。

第二，梁、柱剪压比限制 。当构件的截面尺寸太小或混凝土强度太低时，按抗剪承载力公式计算的箍筋数量会很多，则箍筋在充分发挥作用之前，构件将过早呈现脆性斜压破坏，这时再增加箍筋用量已没有意义。因此，设计中应限制剪压比即梁、柱截面的平均剪应力，使箍筋数量不至于太多，同时，也可有效地防止斜裂缝过早出现，减轻混凝土碎裂程度。这实质上也是对构件最小截面尺寸的要求。

第三，柱轴压比限制。试验研究表明，轴压比的大小，与柱的破坏形态和变形能力是密切相关的。随着轴压比不同，柱将产生两种破坏形态：受拉钢筋首先屈服的大偏心受压破坏和破坏时受拉钢筋并不屈服的小偏心受压破坏。而且，轴压比是影响柱的延性的重要因素之一，柱的变形能力随轴压比增大而急剧降低，轴压比超过界限值将发生小偏压脆性破坏。尤其在高轴压比下，增加箍筋对改善柱变形能力的作用并不明显。所以，抗震设计中应限制柱的轴压比不能太大，其实质就是希望框架柱在地震作用下，仍能实现大偏心受压下的弯曲破坏，使柱具有延性性质。因此《建筑抗震设计规范》规定，对于框架柱相应于一、二、三、四级抗震时，轴压比限值分别为0.65、0.75、0.85、0.9。

第四，钢筋设置。试验表明：钢筋混凝土单筋梁的延性，随截面混凝土受压区相对高度的减小而增大，而混凝土受压区相对高度随着配筋率的增大、钢筋屈服强度的提高和混凝土强度等级的降低而增大，延性性能降低。为此，《建筑抗震设计规范》对一、二、三、四级抗震等级框架梁的混凝土受压区相对高度和配筋率作出了规定。一般截面受压区高度χ=0.35~0.20ho时，位移延性系数相应为3～4。所以规范规定，一级抗震等级时，χ≤0.25ho，二、三级抗震等级时，χ≤0.35h0，并且要求受压钢筋与受拉钢筋之比控制在一定范围内，即A' s≥0.5As（一级抗震），A' s≥0.3As（二、三级抗震）。为防止过多的纵向受拉钢筋在地震中使梁产生粘结劈裂破坏，规范还规定梁端纵向受拉钢筋的配筋率ρs≤2.5%。在地震作用下，梁的反弯点变化很难准确预计，所以应有足够数量的钢筋贯通梁的上、下部。同时，将梁的最小配筋率比非地震作用时的规定予以提高。为防止地震作用下柱子少筋脆性破坏和超筋粘结劈裂破坏，柱的纵向受力钢筋总配筋率不得少于1.0%、0.8%、0.7%、0.6%、（相应于一、二、三、四级抗震等级），角柱的上述限值相应提高0.1%；柱的纵向配筋率最大间距不宜超过200 mm。另外，震害表明，梁端、柱端震害严重，是框架梁、柱的薄弱部位。当框架柱断面相对较大，在梁端箍筋加密，形成弯曲破坏的塑性铰破坏机制，可保护柱子的安全。楼板形成框架柱的上下嵌固端，所以按照强剪弱弯原则设计的箍筋主要配置在梁端、柱端塑性铰区，称为箍筋加密区。柱端箍筋加密，形成弯曲破坏的塑性铰，避免脆性破坏的倒塌。在塑性铰区配置足够的箍筋，可约束核心混凝土，显著提高塑性铰区混凝土的极限应变值，提高抗压强度，防止斜裂缝的开展，从而可充分发挥塑性铰的变形和耗能能力，提高柱的延性。

第五，短柱、短梁的震害。短柱的变形特征为剪切型、脆性破坏。震害表明，砖填充墙对框架柱的约束，如：框架柱间砌筑不到顶的隔墙、窗间墙以及楼梯间休息平台使框架柱变成短柱。因填充墙约束形成短梁，同样会剪切破坏。所以短柱造成的强梁弱柱应当避免，当短柱的两侧增加翼墙，破坏有所改善。箍筋加密、箍筋135度角弯钩、钢筋锚固长度等抗震构造措施十分重要。

第六，框架填充墙。填充墙与主体框架的连接应当加强，如框架柱每隔500mm设置拉结筋的间距可以再加密一些，以避免围护结构出平面倾覆的发生。填充墙一方面提高结构刚度、降低结构自振周期，增加抗震能力；另一方面填充墙可以有效耗散地震能量，所以合理的填充墙布置对提高结构的延性是有帮助的。

第七，加强建筑结构抗震概念设计。受力合理，传力途径直接。结构的计算分析能符合房屋结构在地震中的实际表现，是结构选型和布置首先要考虑的因素之一；避免破坏的连锁反应。当一部分结构或构件在地震中破坏时，不能导致整个体系丧失抗震能力。为此，设置多道防线是较好的办法，即在一个体系中，由若干个分体系组成或具有尽可能多的内部、外部赘余度。如框-剪结构、剪力墙结构中连梁；具有必要的强度和变形能力；控制抗震薄弱部位；防止建筑构件（隔墙、填充墙、幕墙、女儿墙、雨篷、阳台、飘窗、天棚、附墙烟囱、高大橱柜等）和建筑附属机电设备（重型悬挂灯具、水箱、冷却塔、高大天线、较大的穿墙管道洞口等）不合理布置对主体结构的不良影响。

综上所述，我们在今后的抗震设计工作中，应该严格执行工程建设标准，精心设计，一定要使我们设计的房屋成为安全的结构。对此，我们任重而道远。

（作者供职于铁岭县建筑设计院）