混凝土结构延性设计的重要性

郭 可

（大连建宇建筑设计咨询有限公司）

混凝土结构延性设计的重要性

郭 可

（大连建宇建筑设计咨询有限公司）

混凝土延性设计是提升建筑结构的整体性、稳定性，减少结构受到外力时受到的破坏程度，提升建筑抗震能力，对于建筑安全以及使用者的安全都有着重要意义。本文从混凝土结构延性概念、重要性、延性设计进行了分析。

混凝土结构 延性设计 分析

引言

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，却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.因此，地震区的建筑物应优先考虑设计成抗震性能好的延性结构。

1、结构延性的概念

1.1概念及要求

延性包括材料、截面、构件和结构的延性。延性是指屈服后，强度和承载能力没有显著降低时的塑性变形能力。延性大，说明塑性变形能力大，强度或承载力的降低缓慢，从而有足够大的能力吸收和耗散地震能量，避免结构倒塌；延性小，说明达到最大承载能力后承载力迅速降低，变形能力小，呈现脆性破坏，引起结构倒塌。结构延性可以来自材料延性、截面曲率延性、构件位移延性和结构位移延性。一般来说，对截面延性的要求高于对构件延性的要求，对构件延性的要求高于对结构延性的要求。我国规范没有对结构、构件的延性系数和耗能能力做定量的规定，只规定了罕遇地震作用下各结构体系的弹塑性层间位移角限值。例如，钢筋混凝土框架结构的屈服层间位移角为1/200左右，规范规定其弹塑性层间位移角限值为1/50。

1.2钢筋混凝土结构都应该设计成延性结构

“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设计原则，也就是要做到在设防烈度地震作用下，允许部分构件出现塑性铰，这种状态是“中震可修”状态；合理控制塑性铰部位、构件又具备足够的延性，可做到在大震作用下结构不倒塌的状态。延性结构的塑性变形可以耗散地震能量，虽然结构变形会加大，但内力不会很大，对构件的承载能力要求不会很高。也就是说，延性结构是用它的变形能力，而不是承载力抵抗强烈的地震作用。因此，对于地震发生概率极少的抗震结构，延性结构是一种经济合理和安全的设计方向。设计规范上对延性结构的要求融入了各章节，并通过计算和构造给结构设计了多道防线。这方面的阐述已较明朗，实际工作中也得到充分采纳。然而，我们在实际设计工作中，建筑体形、结构布置确定后，要反映延性框架和延性剪力墙的抗震概念，可以通过哪些实用有效又经济的方式，这里具体介绍一下。

2、延性设计的重要性

2.1强柱弱梁

框架结构最佳的抗震机制是梁式侧移机构，即梁端的塑性铰先于柱端出现塑性铰的侧移机构。塑性铰具有足够的转动能力可继续承受部分压力，从而保证框架结构具有一个较稳定的塑性耗能机构来抵抗地震能量，因此应限制梁的受压区高度，对梁上荷载进行不利组合并进行弯矩调幅，控制其受弯承载力；合理布置梁端配筋，使其满足配筋率要求不过大；同时，适当增加柱端配筋率，保证塑性铰在梁端产生。

2.2强剪弱弯

剪切破坏一旦发生，则构件会失去抗震能力，退出工作。柱若先发生剪切破坏，则可能导致结构的局部破坏甚至整体倒塌。所以有必要强调框架结构尽量发生弯曲破坏而非剪切破坏。“强剪弱弯”原则即要求梁柱斜截面承载力大于正截面承载力，防止发生脆性的剪切破坏。在《建筑抗震设计规范》中规定梁柱截面抗剪承载力设计值要根据不同的抗震等级乘以相应地放大系数，就是“强剪弱弯”原则的表现。

2.3 强节点强锚固

节点是梁柱构件的公共部分，节点的失效意味着与之相连的柱和梁同时失效。框架结构最佳的抗震机制是梁式侧移机制，即梁端先出现塑性铰，而梁端塑性铰形成的基本前提是保证梁纵筋在节点区有可靠的锚固，故而延性设计时要求“强节点强锚固”。为防止节点核芯剪切破坏和钢筋锚固破坏，节点设计时应遵循的准侧有：节点的承载力不低于其连接构件的承载力；多遇地震时节点在弹性范围内工作；罕遇地震时节点承载力的降低不得危及竖向荷载的传递；梁柱纵筋在节点区应有可靠的锚固。除此三个原则外，影响延性设计的因素还有材料强度、轴压比、配箍率、剪跨比等因素，所以在抗震延性设计时除必须遵循(强柱弱梁，强剪弱弯，强节点强锚固)的原则外，还应密切注意这些因素带来的影响。

3、提高构件延性的措施

3.1减小竖向构件的轴压比

竖向构件的延性对防止结构的倒塌至关重要.对于钢筋混凝土竖向构件，轴压比是影响其延性的主要因素之一。试验研究表明，钢筋混凝土柱子和剪力墙的变形能力随着轴压比的增加而明显下降。抗震规范对抗震等级为一级、二级、三级的框架柱和抗震等级为一级、二级的剪力墙底部加强部位的轴压比进行了限制。框架柱的初始截面尺寸常常根据轴压比的限制来进行估算。

3.2控制构件的破坏形态

构件的破坏形态机理和破坏形态决定了其变形能力和耗能能力.发生弯曲破坏的构件的延性远远高于发生剪切破坏的构件，一般认为弯曲破坏是一种延性破坏，而剪切破坏是一种脆性破坏.因此，控制构件的破坏形态(使构件发生弯曲破坏)，可以从根本上控制构件的延性.目前，在钢筋混凝土构件的抗震设计中采用“强剪弱弯”(即构件的受剪承载力大于受弯承载力)的原则来控制构件的破坏形态，一般采用增大剪力设计值和增加抗剪箍筋的方法来提高构件的受剪承载力，并且通过验算截面上的剪力来控制截面上的平均剪应力的大小，避免过早发生剪切破坏，对跨高比(或剪跨比)小的构件，平均剪应力的限制更加严格。

3.3加强抗震构造措施

构件的延性也与构造措施密切相关，采用合理的构造措施能有效地提高构件的延性，对于不同类型的构件可采取不同的抗震构造措施。

3.3.1 钢筋混凝土框架梁

在其受压区配置一定数量的纵向钢筋可减小梁截面的受压区高度，增加梁端的转动能力，从而提高梁的变形能力。试验研究表明，当梁截面的受压区相对高度x/h0在0.2～0.35时，梁的曲率延性系数可在4左右.因此，需限制梁端截面的受压区相对高度。此外，在梁端塑性铰区纵筋屈服的范围内，可达 1.5～2.0倍的梁高)配置加密的封闭式箍筋，间距小于6～8倍的纵筋直径，可以提高该范围的压区混凝土的极限压应变，并防止在塑性铰区内压筋过早压屈和最终发生剪切破坏，从而保证梁有较大的延性。

3.3.2 钢筋混凝土框架柱

实际震害表明，在反复地震作用下，柱端的保护层往往首先剥落.此时，若无足够的箍筋约束，在压力作用下，纵筋就会向外膨曲，柱端破坏.箍筋对柱子的核心区混凝土具有较强的约束作用，提高配箍率可以显著提高受压区混凝土的极限压应变，从而增加柱子的变形能力。因此，在框架柱的两端需配置加密的封闭式箍筋(间距小于6～8倍的纵筋直径)，抗震规范还对箍筋加密区的体积配箍率的最小限制作了规定.对于短柱(一般指剪跨比不大于2的柱)，由于变形能力差，需要沿整个高度配置加密箍筋.此外，柱子中配箍的形式对其变形能力也有较大的影响。试验研究表明，采用螺旋箍、复合螺旋箍或连续复合螺旋箍，可显著提高柱子的极限变形能力。根据日本的试验报告，相同柱截面，相同配筋、配箍率，相同箍距和箍筋肢距，采用连续复合螺旋箍的柱子的极限变形比采用一般复合箍筋的柱子提高25%.采用这类箍筋形式的柱子，轴压比的限值可适当放宽。

3.3.3 钢筋混凝土剪力墙

在墙端部设置边缘构件(暗柱、明柱、翼柱)，将墙体的纵向钢筋量的大部分集中于两端边缘构件处，并在边缘构件中配置足够的横向箍筋以约束其中的混凝土，可以防止初始的斜裂缝贯穿墙面，使剪力墙的塑性铰一般出现在底部，为了保证剪力墙在出现塑性铰后具有较高的延性，在该范围内需加强构造措施，如增加墙体厚度、设置约束边缘构件、增加抗剪箍筋、箍筋全长加密等)，提高其抗剪破坏的能力。

4、结语

建筑工程出现的诸多问题，例如汶川地震的发生造成大量的建筑坍塌，说明建筑延性设计对于建筑刚度以及承载负荷起到非常重要的作用，在进行建筑混凝土延性设计，要合理布置构件位置，确保混凝土结构的延性，做好每一个环节的质量控制，才能确保建筑工程质量在遇到地震等自然灾害的时候，最大程度的降低危害的发生。

[1]张文魁.谈提高建筑结构延性措施[J]. 山西建筑. 2011(33)

[2]李宏.建筑结构延性抗震设计分析[J]. 科技创新导报. 2010(03)

[3]易伟建，李浩.基于贝叶斯网的结构延性需求分析[J]. 土木工程学报. 2009(11)

G322

B

1007-6344（2015）03-0282-01