劉越

（遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

建筑物的抗震能力和安全性，不僅取決于構(gòu)件的承載力，還在很大程度上取決于其變形性能和動(dòng)力響應(yīng)，取決于結(jié)構(gòu)吸收和耗散能量的多少，也就是說，結(jié)構(gòu)的抗震能力是由承載力和變形兩者共同決定的。承載力較低但具有很大延性的結(jié)構(gòu)，所吸收的能量多，雖然較早出現(xiàn)損壞，但能經(jīng)受住較大變形，避免倒塌。而僅有較高強(qiáng)度，卻無塑性變形能力的脆性結(jié)構(gòu)，吸收的能量少，一旦遇到超過設(shè)計(jì)水平的地震作用時(shí)，很容易因?yàn)榇嘈云茐亩蝗坏顾?。因此，地震區(qū)的建筑物應(yīng)優(yōu)先考慮設(shè)計(jì)成抗震性能好的延性結(jié)構(gòu)[1]。

1 鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的延性性能

1.1 延性的概念

所謂延性，是指結(jié)構(gòu)構(gòu)件或截面受力超過彈性階段后，在承載力無明顯變化的情況下的后期變形能力，也就是最終破壞之前經(jīng)受非彈性變形能力[2]。換句話說，延性實(shí)質(zhì)上是材料、截面、構(gòu)件或結(jié)構(gòu)保持一定的強(qiáng)度或承載力的非彈性（塑性）變形的能力。

1.2 延性大小的衡量[3]

延性的大小用延性系數(shù)來度量：

式中：δ——構(gòu)件的應(yīng)變、截面的曲率、構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)角或位移；δu，δy——分別為屈服值和極限值。

1.2.1 材料延性

材料延性是指材料的塑性變形能力，可用材料的本構(gòu)關(guān)系特征參數(shù)來定義：

式中：εU——材料的屈服應(yīng)變；εY——材料強(qiáng)度沒有顯著降低時(shí)的極限應(yīng)變。

1.2.2 截面曲率延性

以彎曲變形為主的構(gòu)件進(jìn)入屈服階段后，塑性鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)能力與單位長(zhǎng)度上蘇醒轉(zhuǎn)動(dòng)能力，即轉(zhuǎn)動(dòng)能力的曲率延性直接相關(guān)。曲率延性系數(shù)的計(jì)算式為：

式中：φu，φy——分別為截面屈服曲率和極限曲率。

1.2.3 構(gòu)件的位移延性

構(gòu)件的位移延性系數(shù)為：

式中：δu，δy——分別為屈服位移和極限位移。

1.2.4 結(jié)構(gòu)位移延性

結(jié)構(gòu)位移延性用頂點(diǎn)位移延性或?qū)娱g位移延性系數(shù)來度量，即：

結(jié)構(gòu)的位移延性系數(shù)幾乎不可能用手算得到，目前的計(jì)算手段是對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力彈塑性分析，由得到的結(jié)構(gòu)基底剪力——頂點(diǎn)位移關(guān)系曲率和層間剪力——層間位移關(guān)系曲線計(jì)算結(jié)構(gòu)的位移延性系數(shù)。

1.3 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)延性性能的研究

在抗震設(shè)防地區(qū)都應(yīng)當(dāng)將鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成延性結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)經(jīng)過中等烈度的地震作用后，加以修復(fù)仍可重新使用，在強(qiáng)地震下不至于倒塌，從而保證人們的生命安全。結(jié)構(gòu)延性在建筑抗震中有以下作用：

1）防止結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞。

2）承受非地震作用的偶然荷載。

3）實(shí)現(xiàn)塑性內(nèi)力重分布[4]。

2 影響延性的因素

2.1 材料強(qiáng)度

混凝土強(qiáng)度直接影響結(jié)構(gòu)抗剪承載力，特別是節(jié)點(diǎn)核心區(qū)因混凝土強(qiáng)度不足而開裂后破壞，提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)則可以提高節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的承載力。不過對(duì)于承受一定荷載的框架，混凝土強(qiáng)度過高，則梁、柱的截面尺寸就會(huì)減小，混凝土的抗剪截面也相應(yīng)減小，在一定配箍率下，其抗剪承載力會(huì)有所下降，對(duì)其抗震性能反而不利[5]。且如果采用高強(qiáng)度混凝土，于目前有些施工單位的施工水平受限，事實(shí)上很難達(dá)到所設(shè)計(jì)的強(qiáng)度等級(jí)[6]。

鋼筋的變形直接影響結(jié)構(gòu)的延性，為使結(jié)構(gòu)在產(chǎn)生塑性鉸時(shí)有良好的變形能力來吸收或消耗能量，應(yīng)該使用延展性較好的鋼筋[5]。

2.2 軸壓比

柱的軸壓比是影響框架結(jié)構(gòu)延性的重要因素。柱的延性歲軸壓比增大而減小，軸壓比超過界限值將發(fā)生小偏壓脆性破壞。在抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)該控制柱的軸壓比不超過限值，使其發(fā)生大偏壓破壞并有較高的延性。規(guī)范規(guī)定，對(duì)于框剪相應(yīng)于一、二、三級(jí)抗震時(shí)，軸壓比限值分別為 0.7，0.8，0.9。這里規(guī)定的軸壓比限值是指柱軸壓比設(shè)計(jì)值與柱軸壓比承載力設(shè)計(jì)值的比值[7]。

2.3 箍筋的構(gòu)造要求

沿梁的縱向配置封閉的箍筋，不但能防止脆性的剪切破壞，而且可以對(duì)受壓區(qū)混凝土起約束作用。收到約束的混凝土，其極限壓應(yīng)變（εu）能提高。箍筋布置得越密，直徑越粗，其約束作用越大，對(duì)構(gòu)件的延性的提高也越大。特別是超筋情況，箍筋對(duì)延性的影響就更顯著[2,9]。

2.4 縱向鋼筋的配筋率和鋼筋的屈服強(qiáng)度

隨著縱筋率和鋼筋的屈服強(qiáng)度的提高，混凝土相對(duì)受壓區(qū)高度增大，截面延性降低。但混凝土受壓區(qū)配置受壓鋼筋，可以減少相對(duì)受壓區(qū)高度，改善構(gòu)件的延性。因此應(yīng)該限制縱向受拉鋼筋的配筋率和高強(qiáng)鋼筋的使用，以保證結(jié)構(gòu)有足夠的延性[8]。

2.5 剪跨比λ

剪跨比反映了構(gòu)件截面承受的彎矩與剪力的相對(duì)大小。是影響梁、柱極限變形能力的主要因素之一，對(duì)構(gòu)件的破壞形態(tài)有很重要的影響[10]。根據(jù)剪跨比可以將柱分為長(zhǎng)柱（λ≥2）、短柱（1.5≤λ≤2）、極短柱（λ≤1.5）。大量試驗(yàn)表明：長(zhǎng)柱時(shí)，單調(diào)荷載特別是低周反復(fù)荷載作用下一般發(fā)生延性較好的彎曲破懷，而短柱則一般發(fā)生延性較差的斜截面收件破壞，脆性破壞較矩形顯著[5]。

3 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)抗震延性設(shè)計(jì)

3.1 明確鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)

影響地震作用及結(jié)構(gòu)側(cè)移大小的因素：

1）建筑場(chǎng)地類別，當(dāng)建筑場(chǎng)地越軟時(shí)，地震作用越大，建筑物的側(cè)移越大。

2）地震烈度越高時(shí)，地震作用越大，建筑物側(cè)移越大。

3）建筑物高度越高時(shí)，地震作用越大，建筑物側(cè)移越大。

為使抗震設(shè)計(jì)真正達(dá)到安全經(jīng)濟(jì)的目的，規(guī)范根據(jù)上述因素將框架結(jié)構(gòu)分為不同的抗震等級(jí)，見表1。

3.2 延性結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則

結(jié)構(gòu)延性設(shè)計(jì)要遵循一定的原則，平面布局要有規(guī)則性，豎向剛度的連續(xù)性，并以“強(qiáng)柱弱梁”，“強(qiáng)剪弱彎”強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，弱錨固的延性框架進(jìn)行設(shè)計(jì)，并輔以必要的構(gòu)造措施來保證結(jié)構(gòu)局部薄弱區(qū)域的強(qiáng)度和剛度，以加強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性，增大延性，提高變形能力，體現(xiàn)大震不倒的思想[11]。

表1 丙類（Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ）現(xiàn)澆框架抗震等級(jí)

3.2.1 強(qiáng)柱弱梁

框架結(jié)構(gòu)的延性與塑性鉸分布的部位有關(guān)，若梁中先出現(xiàn)塑性鉸形成梁鉸結(jié)構(gòu)，則塑性鉸分布較均勻，每個(gè)塑性鉸所要求的彈性變形量也比較小，而且兩端結(jié)構(gòu)的延性要求也比較容易實(shí)現(xiàn)。而若柱中出現(xiàn)塑性鉸而形成柱鉸結(jié)構(gòu)，非彈性變形就集中在某一層的柱中，對(duì)柱的延性提出極高的要求，二者往往很難實(shí)現(xiàn)，且柱鉸機(jī)構(gòu)伴隨較大的層間位移，這不僅引起不穩(wěn)定問題，還會(huì)引起結(jié)構(gòu)承受豎向荷載，導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的倒塌。在經(jīng)受較大側(cè)向位移時(shí)，未能確?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并能維持它承受豎向荷載的能力,必須要求非彈性變形一般只限于梁內(nèi),即要求在設(shè)計(jì)荷載下統(tǒng)一節(jié)點(diǎn)上柱段截面積限彎矩的綜合大于梁端極限彎矩總和。這就是所謂的強(qiáng)柱弱梁,既保證框架柱具有足夠的抗彎承載能力儲(chǔ)備,大大減少柱段屈服的可能性

3.2.2 強(qiáng)剪弱彎

框架結(jié)構(gòu)的延性與均件的破壞形態(tài)有關(guān),框架的抗震設(shè)計(jì)應(yīng)遵循強(qiáng)剪弱彎的設(shè)計(jì)原則,以減少在非彈性變形時(shí)發(fā)生剪切破壞的可能性?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的強(qiáng)剪弱彎設(shè)計(jì)原則，主要是有設(shè)計(jì)剪力的計(jì)算、抗剪承載力計(jì)算公式的選取以及必要的構(gòu)造措施來實(shí)現(xiàn)。實(shí)際建立的計(jì)算與抗彎承載力的計(jì)算相類似,按抗震等級(jí)不同采用地震效應(yīng)調(diào)整系數(shù),但較抗彎承載力計(jì)算更嚴(yán)格,以相對(duì)提高抗彎承載力。同時(shí)為減少框架梁柱在非彈性反應(yīng)趨于發(fā)生剪切破壞的危險(xiǎn),梁柱端部的設(shè)計(jì)剪力應(yīng)與梁柱端部形成塑性鉸后的極限抗彎強(qiáng)度相對(duì)應(yīng),抗剪計(jì)算公式的選取主要表現(xiàn)為考慮地震作用的反復(fù)性及剪切問題的離散性,采用在縱筋屈服后的偏下限抗彎承載力計(jì)算公式,并輔以抗震構(gòu)造措施。

3.2.3 強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，強(qiáng)錨固

為保證框架結(jié)構(gòu)的延性,在梁鉸機(jī)構(gòu)充分發(fā)揮作用以前,框架節(jié)點(diǎn),縱筋錨固不應(yīng)過早破壞,框架節(jié)點(diǎn)破壞主要是因?yàn)楣?jié)電出核心區(qū)箍筋數(shù)量不足,在建立和壓力的共同作用下,節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土出現(xiàn)斜裂縫,箍筋屈服至拉斷,柱的縱筋被壓屈以至拉斷而引起的。故規(guī)范通過保證核心區(qū)混凝土強(qiáng)度及配置足夠數(shù)量的箍筋，來防止節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的過早剪切破壞,而強(qiáng)錨固要求則通過在靜力設(shè)計(jì)錨固長(zhǎng)度的基礎(chǔ)上疊加一定的抗震附加錨固長(zhǎng)度,利用鋼筋錨固段的機(jī)械錨固措施來實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于塑性鉸區(qū)混凝土與箍筋剪力變化的關(guān)系。

4 意義

延性好的結(jié)構(gòu)，塑性變形能力大，強(qiáng)度或承載能力降低緩慢，從而有足夠大的能力吸收和耗散地震能量，結(jié)構(gòu)破壞過程比較長(zhǎng)，破壞前有明顯征兆。能及早采取措施，避免發(fā)生傷亡事故及建筑物的全面崩潰。延性差的結(jié)構(gòu)，達(dá)到最大承載力后承載力迅速降低，變形能力小，破壞時(shí)會(huì)突然發(fā)生脆性破壞，破壞后果較為嚴(yán)重，引起結(jié)構(gòu)倒塌。加強(qiáng)鋼筋混凝土延性設(shè)計(jì)，就是要做到“小震不壞，中震可修，大震不倒”。