摘要：地震作為一種具有強(qiáng)烈破壞力的自然災(zāi)害，在歷史上屢屢給人類帶來(lái)巨大的災(zāi)難。與此同時(shí)，人類也逐漸從災(zāi)難中吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，既然地震是不可抗力，無(wú)法抗拒，那么只能采取措施降低損失的程度。其中建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)便是人類主動(dòng)防御地震的重要方法。我國(guó)目前的建筑結(jié)構(gòu)多采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有很高的強(qiáng)度，在抗震設(shè)計(jì)時(shí)要注意加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計(jì)，以減小變形帶來(lái)的損失程度。本文詳細(xì)介紹了延性鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的概念，對(duì)其中的設(shè)計(jì)方法和相關(guān)構(gòu)造措施進(jìn)行了論述，希望為結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)者提供參考。

　　關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土,框架結(jié)構(gòu),抗震設(shè)計(jì),延性

　　前言

　　一座建筑物的抗震能力和安全性，不僅取決于構(gòu)件的(靜)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(shuō)，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)，所能吸收的能量多，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)度而無(wú)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(guò)設(shè)計(jì)水平的地震作用時(shí)，很容易因?yàn)榇嘈云茐亩�突然倒塌。鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)是一種具有很高強(qiáng)度的框架結(jié)構(gòu)，但在抗震設(shè)計(jì)時(shí)，仍然需要考慮其延性設(shè)計(jì)，只有真正將強(qiáng)度和延性統(tǒng)一到抗震設(shè)計(jì)中，才能減小建筑物在大地震中的損壞程度。

　　一、鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)延性抗震設(shè)計(jì)的概念及優(yōu)點(diǎn)

　　（一）概念

　　鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)是我國(guó)的工業(yè)與民用建筑中一種常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)延性框架是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。延性框架的抗震設(shè)計(jì)概念，主要包括以下三個(gè)方面：

　　1、通過(guò)調(diào)整構(gòu)件之間承載力的相對(duì)大小，實(shí)現(xiàn)合理的屈服機(jī)制，即“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)墻肢弱連梁”、“強(qiáng)核芯區(qū)弱構(gòu)件”；

　　2、通過(guò)調(diào)整構(gòu)件斜截面承載力和正截面承載力之間的相對(duì)大小，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件延性破壞形態(tài)，即“強(qiáng)剪弱彎”；

　　3、通過(guò)采取抗震構(gòu)造措施，使構(gòu)件自身具有大的延性和耗能能力。

　　（二）優(yōu)點(diǎn)

　　1、破壞前有明顯預(yù)兆，破壞過(guò)程緩慢，確保生命安全，減少財(cái)產(chǎn)損失，因而可采用偏小的計(jì)算安全可靠度。

　　2、出現(xiàn)非預(yù)計(jì)荷載，例如偶然超載，荷載反向，溫度升高或基礎(chǔ)沉降引起附加內(nèi)力等情況下，有較強(qiáng)的承受和抗衡能力。而這些因素在設(shè)計(jì)中一般是未予考慮的，因此延性材料的后期變形能力可作為出現(xiàn)上述情況的安全儲(chǔ)備。

　　3、有利于實(shí)現(xiàn)超靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力充分重分布。延性結(jié)構(gòu)容許構(gòu)件的某些臨界截面有一定的轉(zhuǎn)動(dòng)能力，形成塑性鉸區(qū)域，產(chǎn)生內(nèi)力重分布，從而使鋼筋混凝土超靜定結(jié)構(gòu)能夠按塑性方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到有利的彎矩分布，使配筋合理，節(jié)約材料，而且便于施工。

　　4、在承受動(dòng)力作用（如振動(dòng)、地震、爆炸等）情況下，能減小慣性力，吸收更大動(dòng)能，降低動(dòng)力反應(yīng)，減輕破壞程度，防止結(jié)構(gòu)倒塌以及有利于修復(fù)。

　　5、延性結(jié)構(gòu)的后期變形能力，可以作為各種意外情況時(shí)的安全儲(chǔ)備。

　　二、影響抗震結(jié)構(gòu)延性設(shè)計(jì)的主要因素

　　（一）鋼筋的配筋率

　　增加縱向鋼筋配筋率，不僅可以提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抵抗彎矩；同時(shí)也可以提高塑性鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)能力，進(jìn)而增加結(jié)構(gòu)的延性。

　　（二）箍筋配筋率

　　由實(shí)驗(yàn)研究可知，位移延性隨著配箍率的增加而提高。箍筋間距越小,配箍率越大,延性的增長(zhǎng)也越顯著。增加配箍率,就是增加對(duì)混凝土橫向變形的約束,提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。提高配箍率還可以提高混凝土的極限壓應(yīng)變,使其在混凝土受壓區(qū)更均勻地分布,從而提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的極限位移值。

　　（三）材料的強(qiáng)度

　　提高混凝土的強(qiáng)度,則降低構(gòu)件的軸壓比,無(wú)疑可以提高構(gòu)件的位移延性。但在縱向配筋率相同的條件下,提高混凝土標(biāo)號(hào)等于減少鋼筋在換算截面中所占的比重,也就意味著縱向鋼筋配筋率的減少,反而會(huì)使位移延性降低。

　　（四）軸壓比

　　試驗(yàn)表明,軸壓比是影響壓彎構(gòu)件位移延性的最重要因素。當(dāng)軸壓比過(guò)大時(shí),使壓彎構(gòu)件中鋼筋的壓應(yīng)變?cè)龃?因此,截面必須轉(zhuǎn)動(dòng)更大的角度才能使受拉區(qū)鋼筋屈服。這必然使屈服位移大大增加,從而導(dǎo)致構(gòu)件延性的大幅降低。

　　三、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計(jì)

　　（一）強(qiáng)柱弱梁

　　合理地選擇框架結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理是框架結(jié)構(gòu)延性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。強(qiáng)柱弱梁型對(duì)應(yīng)的破壞機(jī)理系在框架梁上首先出現(xiàn)塑性鉸，通過(guò)梁上塑性鉸的形成來(lái)消耗巨大的地震作用，從而降低地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)的反應(yīng)．當(dāng)結(jié)構(gòu)經(jīng)受較大側(cè)向位移時(shí)，要確保框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并維持它承受豎向荷載的能力，就必須要求非彈性變形一般只限于梁內(nèi)，從而保證了框架柱具有足夠的抗彎承載能力儲(chǔ)備，大大減少柱端屈服的可能性。因此，框架結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)成強(qiáng)柱弱梁型，即要求框架節(jié)點(diǎn)處柱端實(shí)際受彎承載力要大于梁端實(shí)際受彎承載力，從而達(dá)到“強(qiáng)柱弱梁”的

　　計(jì)算要求。

　　（二）強(qiáng)剪弱彎

　　為使框架結(jié)構(gòu)具有良好的延性，首先結(jié)構(gòu)構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)不能發(fā)生脆性破壞。在強(qiáng)震作用下，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力將按照各構(gòu)件的實(shí)際承載能力進(jìn)行重分配，為防止梁、柱端塑性鉸區(qū)在彎曲屈服前出現(xiàn)脆性剪切破壞，就要求這些構(gòu)件的受剪承載力大于構(gòu)件屈服時(shí)實(shí)際達(dá)到的剪力值，這就是“強(qiáng)剪弱彎”的計(jì)算要求。框架結(jié)構(gòu)“強(qiáng)剪弱彎”的設(shè)計(jì)原則主要由設(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(lái)體現(xiàn)。

　　1、設(shè)計(jì)剪力(作用效應(yīng))的計(jì)算與抗彎承載力的計(jì)算類似，按抗震等級(jí)的不同采用地震效應(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)提高抗剪承載力。同時(shí)為減少框架梁柱在非彈性反應(yīng)區(qū)域內(nèi)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)；

　　2、抗剪計(jì)算公式的選取主要表現(xiàn)為考慮到地震作用的反復(fù)性及剪切問(wèn)題的離散性，采用在縱筋屈服后的偏下限抗剪承載力計(jì)算公式，并輔以一定的抗震構(gòu)造措施。與抗彎承載力的計(jì)算類似，抗剪計(jì)算一方面需增大結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠度(提高作用效應(yīng))，而且更為重要的是應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)延性要求的不同，即抗震等級(jí)的不同，提出不同的抗剪承載力計(jì)算公式。

　　（三）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(guò)早破壞。框架節(jié)點(diǎn)破壞主要是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)處核心區(qū)箍筋數(shù)量不足，在剪力與壓力的共同作用下，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)砼出現(xiàn)斜裂縫，箍筋屈服甚至拉斷，柱的縱筋被壓屈甚至拉斷而引起的。故規(guī)范通過(guò)保證核心區(qū)混凝土強(qiáng)度及配置足夠數(shù)量的箍筋來(lái)防止節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的過(guò)早剪切破壞，而強(qiáng)錨固要求則通過(guò)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，利用鋼筋錨固端的機(jī)械錨固措施等來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　四、構(gòu)造措施上的延性保證

　　在結(jié)構(gòu)布置上,按擴(kuò)大了的柱端抗彎承載力進(jìn)行設(shè)計(jì),理論上可將柱屈服的可能性減少,保證“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計(jì)原則。但因各種原因,如梁的實(shí)際抗彎承載力可能增大,高振型使柱中反彎點(diǎn)的轉(zhuǎn)移等綜合因素影響,要使柱中完全避免塑性鉸是困難的,同時(shí)為實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)剪弱彎”的要求,保證塑性鉸區(qū)域的局部延性,也必須通過(guò)一定的構(gòu)造措施來(lái)保證結(jié)構(gòu)的延性,具體做法如下:

　　（一）限制軸壓比與縱筋最大配筋率

　　合理的受力過(guò)程可明顯提高構(gòu)件延性,為實(shí)現(xiàn)受拉鋼筋的屈服先與受壓區(qū)混凝土壓碎的破壞形態(tài),以提高塑性鉸區(qū)域的轉(zhuǎn)動(dòng)能力,規(guī)范限制軸壓比與縱筋最大配筋率,同時(shí)對(duì)混凝土受壓區(qū)高度也提出相應(yīng)要求。

　　（二）限制約束配筋和配筋形式

　　加密塑性鉸區(qū)內(nèi)的箍筋間距是很重要的一點(diǎn),為保證“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”、“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)底層柱底”和“強(qiáng)剪弱彎”的設(shè)計(jì)原則及塑性鉸區(qū)域的局部延性,有必要加密塑性鉸區(qū)內(nèi)的箍筋間距,這不但可提高柱端抗剪能力,還可約束核心區(qū)內(nèi)混凝土,對(duì)縱向鋼筋提供側(cè)向支承,防止大變形下縱筋壓曲,從而改善塑性鉸區(qū)域的局部延性。

　　（三）限制材料

　　拒絕豆腐渣工程的第一關(guān)就是把握好原材料質(zhì)量,材料延性對(duì)確保構(gòu)件(結(jié)構(gòu))延性極為重要。

　　結(jié)語(yǔ)

　　鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)是我國(guó)大量存在的建筑結(jié)構(gòu)形式，建筑物越高，對(duì)結(jié)構(gòu)延性的要求也越高。因此，在抗震設(shè)計(jì)時(shí)，必須深入貫徹“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)剪弱彎”和“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、強(qiáng)錨固”的設(shè)計(jì)思想，并以強(qiáng)有力的構(gòu)造措施來(lái)保證延性設(shè)計(jì)的成功實(shí)施，以達(dá)到我國(guó)“小震不壞、中震可修、大震不倒”的三水準(zhǔn)抗震設(shè)防要求和延性設(shè)計(jì)思想，真正建設(shè)安全可靠的建筑結(jié)構(gòu)，保證人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。

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　　本文選自國(guó)家級(jí)期刊《建筑知識(shí)》，《建筑知識(shí)》是由中國(guó)建筑學(xué)會(huì)主辦、中國(guó)建設(shè)部主管的建筑刊物，國(guó)內(nèi)統(tǒng)一刊號(hào)：CN11-1243/TU，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)刊號(hào)：ISSN1002-8544）。中國(guó)知網(wǎng)全文收錄。《建筑知識(shí)》雜志論文刊登范圍涉及建筑理論與設(shè)計(jì)、建筑結(jié)構(gòu)、規(guī)劃設(shè)計(jì)、建筑節(jié)能、園林綠化、工程管理、工程質(zhì)量與管理、建設(shè)經(jīng)濟(jì)、建筑工程施工、工程技術(shù)、公路橋梁、建筑遺產(chǎn)等。