王明

【摘要】在满足承载能力的条件下，结构抗震性能的优劣取决于结构的延性性能。结构承载能力较高，延性变形能力较小，水平地震作用下吸收的地震能量较少，当结构遭遇超过本地区抗震设防烈度的地震作用时，很容易因脆性破坏而造成结构坍塌。因此，如何提高结构的抗震性能，保证结构在地震作用下的延性实现问题一直是工程技术人员所关注的问题。本文结合现行《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）（以下简称“规范”） 和《建筑抗震设计规范》（GB50011-2008）（以下简称“抗规”）对框架结构的延性实现问题进行了分析总结。

【关键词】钢筋混凝土；框架结构；延性设计；抗震

结构抗震的本质就是结构在地震作用下通过塑性变形耗散和吸收能量的能力，提高结构的变形能力和结构抗震性能。本文结合现行《混凝土结构设计规范》和《建筑抗震设计规范》相关规定，分析了钢筋混凝土框架结构延性设计的基本思想和基本公式要求，以及保证结构抗震延性的基本构造措施。

一、框架结构的延性设计

框架结构主要由框架梁、框架柱和梁柱节点组成。框架结构的延性很大程度上取决于框架梁和框架柱构件本身的延性和屈服弯矩。在地震作用下，框架经历加载和卸载的过程，即吸收和释放能量的循环，循环能量的差值即为结构或构件在地震作用下耗能的过程。结构吸收的地震能量可以由力—位移曲线所包围的面积来表示，如图1。

（a）力-位移曲线的前期（b）力-位移曲线的后期

图1力—位移曲线

1.1框架梁的延性設计

框架梁的延性设计可以从正截面抗弯和斜截面抗剪两个方面进行设计。

1.1.1框架梁正截面延性设计

框架梁正截面破坏形式有三种：少筋破坏、适筋破坏和超筋破坏。

少筋破坏即梁受拉区配置纵向钢筋数量较少，因此在弯矩作用下，受拉区混凝土一开裂，受拉钢筋即屈服，甚至进入强化阶段，构件破坏。为此，《规范》9.5.1条表9.5.1对最小配筋进行控制，防止出现少筋梁脆性破坏，即

ρmin≥max0.2%，45ftfy% （1）

式中ft——混凝土抗拉强度设计值；

fy——纵筋抗拉强度设计值。

超筋破坏即纵向受拉钢筋配置量较多，在弯矩作用下钢筋未屈服而受压区混凝土破碎，属破坏较突然的脆性破坏。为此，《规范》第7.2.1条在计算构件受压区高度时规定了式（2）的限制条件，同时《抗规》6.3.3条第1款对不同抗震等级的框架梁的最大配筋率进行了限制，以防止出现超筋梁破坏。

x≤ξbh0 （2）

式中x——截面受压区高度；

ξb——界限受压区高度；

h0——截面有效高度。

为保证梁处于适筋状态，设计结果除满足式（1）、（2）外还需满足：

ρmax≤ξbα1fcfy （3）

x≥2a' （4）

式中α1——受压区混凝土矩形应力图的应力值与混凝土轴心抗压强度设计值的比值，取值参见《规范》第7.1.3条；

fc——混凝土抗压强度设计值；

a'——受压区全部纵向钢筋合力点至截面受压边缘的距离。

1.1.2框架梁的斜截面延性设计

框架梁斜截面破坏形式有三种：斜拉破坏、斜压破坏和剪压破坏。

由于没有足够而有效的钢筋穿过斜截面而发生一裂即坏的斜拉破坏。为了避免工程设计中出现斜拉破坏，《规范》第10.2.10条对梁的最小配箍率给予了限制，即

ρsv，min=0.24ftfy （5）

同时为满足不同抗震需求，《抗规》6.3.3条第3款、6.3.5对不同抗震等级的框架梁的箍筋直径、肢距等作出了相应规定。

斜压破坏是由于在穿过斜裂缝的腹筋屈服前，剪压区混凝土的受压承载力不足，混凝土先被压坏。设计中往往通过截面控制防止斜压破坏的出现，《规范》第7.5.1条对此项进行了规定，

当hw/b≤4时，V≤0.25βcfcbh0 （6）

当hw/b≤6时，V≤0.25βcfcbh0 （7）

当4

式中V——构件斜截面上的最大剪力设计值；

hw——截面的腹板高度：对矩形截面，取有效高度；对“T”形截面，取有效高度减去翼缘高度；对“工”字形截面取腹板净高；

b——矩形截面的宽度，“T”形截面或“工”字形截面的腹板宽度；

βc——混凝土强度影响系数，取值参见7.1.3条。

1.2框架柱的延性设计

框架柱是结构的主要承重构件，在抗震设计中对框架柱提出了很多要求。影响框架柱延性的主要因素有：

（1）轴压比。国内外的试验研究表明，受压构件的位移延性随轴压比的增加而减小。《规范》第11.4.16条表11.4.16列出了不同结构体系和抗震等级的轴压比限值，由此表可以发现随着抗震等级的提高，轴压比要求趋于严格。实际工程中，往往通过增加柱的配箍率、采用复合箍、螺旋箍筋等形式加强箍筋对混凝土的约束作用，提高混凝土的抗压强度，增大其极限应变，从而改善柱的延性和耗能能力。

（2）剪跨比λ（λ=Hn/（2h0），Hn为框架柱的净高；h0为梁截面的有效高度）。研究结果表明，剪跨比能大体反映出截面上弯曲正应力和剪应力的比例关系，是决定框架柱延性破坏还是脆性破坏的主导因素。在地震反复循环荷载作用下，随着剪跨比的增大，构件所能承受的最大水平荷载逐渐减小，构件的破坏形态不断转化（依次为λ<15的超短柱的剪切斜拉破坏、1.5≤λ≤2的短柱的粘结开裂破坏、λ>2的长柱的弯曲压溃破坏），变形能力不断提高。

1.3节点的延性设计

钢筋混凝土框架的延性和能量耗散能力，主要源之于梁和柱子上经过专门构造处理的塑性铰的变形。由于节点的动力性能受剪切和锚固机制控制，节点的滞回特性较差，是能量耗损较差的部位，一般不宜作为能量耗散部位，节点的变形限制在弹性范围内。为了加强在地震作用下节点对整体结构的贡献，提高结构的延性和刚度，节点设计应满足以下要求：

（1）强节点。节点的设计荷载应具有与其相连接的构件设计荷载具有相同的特性。要求节点具有足够的强度以抵抗与其相连接的构件的不利组合，必要时可以抵抗相对较大的荷载。

节点核心区是保证框架承载力和延性的关键部位。为使钢筋混凝土框架梁柱节点具有较高的强度，《抗规》要求对于一、二级的节点核心区应进行内力分析，并采取附加的构造措施，对于三、四级框架只要求采取抗震构造措施。

（2）强锚固，防止钢筋滑移或被拔出。为使框架的梁柱纵向钢筋有可靠的锚固条件，保证节点核心区混凝土的抗剪承载力，框架梁柱节点核心区的混凝土应具有良好的约束，因此，规范对节点核心区内的配箍特征值进行了限制，一、二、三级框架节点核心区的配箍特征值分别不宜小于0.6%、0.5%和0.4%。

二、结束语

框架结构的抗震延性设计允许结构部分构件在预期的地震作用下发生反复的弹塑性变形，在保证结构不发生坍塌的情况下，允许部分构件通过变形损伤进行滞回耗能。从某种意义上来说，结构抗震的本质就是延性，延性结构是以变形为抗震能力。

参考文献

[1]吴德安.混凝土结构计算手册.北京：中国建筑工业出版社，2008

[2]高小旺.建筑抗震设计规范理解与应用.北京：中国建筑工业出版社.2008

[3]李乔. 混凝土结构设计原理. 北京：中国铁道出版社，2009