浅析钢筋混凝土结构延性与抗震设计

康庆云

摘要地震是严重威胁人类生命安全与社会经济的主要灾害，防震减灾是抵御地震灾害的必然选择。做好建筑抗震设计工作，是避免与减少地震灾害损失的关键手段，确保结构延性，是保证抗震建筑“小震不坏，中震可修，大震不倒”的技术要求。笔者结合多年的设计工作实践，对钢筋混凝土结构的延性与抗震设计进行了初步分析与探讨。

关键词抗震设计；钢筋混凝土结构延性；影响因素；设计要点；主要措施

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1 建筑抗震设计概况

地震灾害具有突发性，至今可预报性仍然很低，它给人类社会造成的损失巨大，是各类自然灾害中最严重的灾害之一。地震以波的形式从震源通过岩土和地基，使建筑物的基础和上部结构产生不规则的往复振动和激烈变形。当结构在地震时产生的应力和变形超过材料和构件的各项极限值后，结构将出现不同程度的破坏现象，例如材料屈服、构件裂缝、局部破损、显著变形、结构倾斜，整体倒塌等等。

随着人们对抵御地震灾害经验的不断积累以及建筑抗震理论研究的不断深入，结构抗震设计经历了从弹性到非线性，从基于经验到基于非线性理论，从单纯保证结构承载能力的“抗”到允许结构屈服，并赋予结构一定的非弹性变形性能力的“耗”的一系列转变。我国根据现有的科学水平和经济条件，对建筑抗震提出了“三水准”的设防目标，即通常所说的“小震不坏，中震可修，大震不倒”。所谓小震、中震、大震指的是50年超越概率分别为63%、10%、2~3%的多遇地震、设防烈度地震与罕遇地震。

抗震设防“三水准”的要求是通过以下两阶段设计来保证的：

多遇地震下的承载力验算，建筑主体结构不受损，非结构构件没有过重破坏保证建筑正常使用功能；罕遇地震作用下建筑主体结构遭遇破坏，但不倒塌。结构抗震变形验算是两阶段设计很重要的内容。

第一阶段的变形验算以弹性层间位移角表示，以保证结构及非结构构件不开裂或开裂不明显，保证结构整体抗震性能。

第二阶段的变形验算为罕遇地震下薄弱层的弹塑性变形验算，以弹塑性层间位移表示，防止结构薄弱层弹塑性变形过大引起结构倒塌。

2 钢筋混凝土结构抗震设计

在我国现有的多高层建筑中，钢筋混凝土结构应用最为普遍。因为其具有足够的强度、较强的整体性和较好的延性，作为最常用的结构形式被广泛用于地震设防地区。抗震设计的钢筋混凝土结构，虽然依据设防烈度、结构类型、房屋高度区别为不同的抗震等级，并分别采用相应的计算与构造措施，但有一点是共同的，就是合理选择确定结构屈服水准的地震作用、制定有效的抗震措施使结构确实具有与地震作用相对应的延性能力。延性是指构件和结构屈服后，在承载能力不降低或基本不降低的情况下，具有足够塑性变形能力的一种性能。延性结构就是通过塑性铰区域的变形，降低结构刚度，同时能够有效地吸收和耗散地震能量，增强抗倒塌能力的结构体系。延性结构的破坏是塑性破坏，塑性破坏能提前给人以预兆，符合建筑抗震设计理论与原则要求。结构延性越好，抗震潜力越大。因此，钢筋混凝土结构抗震设计的本质要求就是确保结构延性。抗震设防烈度越高，结构高度越大，结构延性的要求也越高。

3 影响钢筋混凝土结构延性的主要因素

3.1材料屈服后的变形能力

从材料的角度看，钢结构材料延性好，可抵抗强烈地震而不倒塌；砖石结构材料变形能力差，在强烈地震做一下容易出现脆性破坏而倒塌。钢筋混凝土结构材料具有双重性，如果设计与使用合理，可以消除或减少混凝土脆性危害，能够充分发挥钢筋的塑性性能，达到结构延性的要求。所以，材料影响钢筋混凝土结构延性的主要因素，是钢筋在屈服以后的变形能力，通常以钢筋的极限应变与屈服应变的比值即材料延性比μ来确定。μ值越高，材料屈服后的变形能力越强，结构延性越好。

3.2 构件截面屈服后的变形能力

从构件截面的角度看，截面屈服后变形能力越强，结构延性越好。在合理的配筋情况下，以受弯为主的梁构件可获得较高的延性；对于受剪为主的抗震墙与压应力比较高的结构柱，则难以到达较高的延性。因此，根据钢筋混凝土结构类型与构件受力特点，应该正确选择计算方法，合理调整构件的组合内力设计值，从而提高构件截面屈服后的变形能力。

3.3结构变形能力

从结构的角度看，当结构荷载增加很少而位移迅速增加时，可认为结构已经“屈服”，同时在承载能力基本保持不变的情况下，仍然具有较大的塑性变形能力，则该结构可称为延性结构。结构的塑性变形能力通常用结构顶点或层间的极限位移与屈服位移的比值即位移延性比μ来衡量，μ=1，表示屈服即坏，结构没有延性；μ>1，值越大，结构变形能力越强，其结构延性越好。

4 钢筋混凝土结构延性设计的基本要点

4.1具有规则的结构布置

一幢房屋的动力性能基本上取决于它的建筑布局与结构布置。建筑布局简单合理，结构布置符合抗震原则，就从根本上保证了房屋具备良好的抗震性能。反之，建筑布局奇特复杂，结构布置环节薄弱，即经精细分析与计算，在构造上无论采取何种补强措施，也难以达到减轻震害的预期目地。因此，抗震设防区的钢筋混凝土建筑结构设计，必须优先采用简单、均匀的建筑布局与规则、对称的结构布置。

4.2具有多道抗震防线

抗震建筑如果采用一道抗震防线的结构体系，一旦防线破坏，在后续地面运动的作用下，就会导致建筑物倒塌，因此，设置多道抗震防线是提高建筑抗震能力、减轻地震破坏的必要手段。

多道抗震防线的设置，原则上应优先选择不负担或少负担重力荷载的竖向支撑或填充墙、轴压比较小的抗震墙（剪力墙）、实墙筒体，不能采用轴压比很大的框架柱作为兼作第一道抗震防线的抗侧力构件，以保证整个抗震结构体系由若干个延性较好的分体系组成，并由结构构件连接起来协同工作。

4.3具有足够的侧向刚度

国内外的地震震害表明，具备足够侧向刚度的高層建筑，不仅主体结构破坏轻，而且由于地震时结构变形小，隔墙、维护墙等非结构构件受到保护，破坏也轻。基于上述原因，目前世界各国的抗震设计规范都对结构抗侧刚度提出明确要求，依据不同结构体系和设计地震水准，给出相应结构的变形限值要求，以确保结构具有足够的侧向刚度。表一、表二分别为我国《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）规定的钢筋混凝土结构在多遇地震和罕遇地震下的变形限值。

4.4具有足够的冗余度

地震灾害中建筑物的倒塌往往是结构构件破坏后致使结构体系变为机动体系的结果，因此，结构的冗余度亦即超静定次数越多， 建筑物从稳定进入倒塌的过程就越长。从能量消耗角度看，在一定地震强度和场地条件下，输入结构的地震能量大体上是一定的。地震作用下，结构上每出现一个塑性铰即可吸收与消耗一定数量的地震能量。在结构变成机动体系前，能够出现的塑性铰越多，耗散的地震能量就越多，结构就更能经受住较强地震而不倒塌。因此，结构冗余度越多，抗震安全性就越强。

从结构的传力途径看，静定结构传递水平地震作用路径单一，一旦某一杆件或节点破坏，整个结构受力就将失效；超静定结构在超负荷状态工作时，破坏将首先出现在赘余杆件上，结果是仅仅降低结构的超静定次数，但换来的是消耗了一定数量的地震能量，而整个结构是稳定的。因此，一个好的抗震结构体系，一定必须保证其具有足够多的冗余度。

4.5具有良好的结构屈服机制

一个良好的结构屈服机制就是保证结构在杆件出现塑性铰以后，竖向承载能力能够保持稳定、可以持续变形而不倒塌，能够最大限度地吸收与消耗地震能量。一般应该满足以下条件：

结构的塑性发展由次要构件开始，最好才在主要构件上出现塑性铰，形成多道抗震防线，结构中构件发生强度屈服的顺序应该符合“梁先于柱”、“杆件先于节点”、 “受弯先于受剪”、“受拉先于受压”的条件。

结构能够形成的塑性铰数量多，塑性发展过程长。

杆件塑性铰的塑性转动量大，结构的塑性变形量大。

5 钢筋混凝土结构延性设计的主要措施

5.1结构布置应该力求简单、规则，避免结构刚度、质量、承载能力分布不均。布置不规则的建筑，应提高结构抗扭刚度，避免因结构偏心而产生的扭转效应；结构在经不规则程度、地基基础条件等多方面比较分析后，尽量不设抗震缝；必须设置抗震缝时，应严格满足抗震规范的规定与要求。

5.2 结构宜采用高性能或高强混凝土，可以减小构件截面、降低结构自重；结构应采用塑性变形能力大的高强钢筋。

5.3“强柱弱梁”

结构变形和破坏常见有 “梁铰机构”、“柱铰机构”、“梁柱铰机构”三种典型的耗能机构，我国规范采用的是梁先行屈服并允许柱子、剪力墙出铰的“梁柱铰机构”方案。该机构能使结构产生较大的内力重分布和能量消耗能力，极限层间位移大，塑性铰数量多，不因个别塑性铰失效而致结构整体失效，抗震性能好，因而是钢筋混凝土理想的耗能机构。 “强柱弱梁”就是“梁柱铰机构”在延性设计中的运用，具体措施就是人为增大抗震柱的抗弯能力。在地震作用下，梁端塑性鉸出现较早，在达到最大非线性位移时塑性转动较大；而柱端塑性铰出现较晚，在达到最大非线性位移时塑性转动较小，甚至根本不出现塑性铰，保证结构具有较为稳定的塑性耗能机构和较大的塑性耗能能力。

5.4“强剪弱弯”

“强剪弱弯”是为了保证塑性铰截面在达到预期非弹性变形之前不发生剪切破坏，其实质是使梁发生弯曲破坏而不是发生剪切破坏。就常见结构而言，主要表现在梁端、柱端、剪力墙底部加强区、剪力墙洞口连梁端部、梁柱节点核心区。“强剪弱弯”增强措施主要表现在提高作用剪力、调整抗剪承载力两个方面，同时通过剪跨比、剪压比、轴压比、体积配箍率、纵筋配筋率的限制与箍筋合理配置予以保障。

5.5“强节点强锚固”

钢筋混凝土结构节点构造繁杂、受力复杂且容易发生破坏，节点可靠与否是关系结构能否可靠工作的前提，钢筋锚固牢固与否是构件能否发挥承载力的关键。因此在抗震设计中必须保证节点能够承担梁端、柱端顺序出现塑性铰时的节点剪力，不致发生脆性剪切破坏；梁柱纵向受力钢筋在节点内锚接牢固，能够充分发挥承载能力与塑性变形能力。

6结束语

因为涉及到人们生命与财产安全的重大问题，我们在抗震设防区对建筑物进行结构设计的时候，必须把建筑物的抗震问题尤其是建筑物不能倒塌的问题放到非常重要的位置，通过加强概念设计并采取适当措施，达到 “小震不坏，中震可修，大震不倒” 的建筑抗震设防目标，为保障人民生命财产安全与开展抗震减灾工作做出应有贡献。

参考文献

[1] 《建筑抗震设计规范》GB50011-2010。

[2] 《高层建筑混凝土结构技术规范》JGJ3-2010。

[3] 《建筑抗震设计手册》（第二版）龚思礼 主编；中国建筑工业出版社， 2002年11月。

[4] 《建筑震害与设计对策》黄世敏 杨沈 编著；中国计划出版社，2009年11月。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。