钢筋砼框架结构的延性与抗震设计浅析

第３０卷第１９期　２０１４年１Ｏ月　

甘肃科技　

Ｇａｎｓｕ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ＶｏＬ３０Ⅳ０．１９　

Ｏｃ￡．２ｏ１４　

钢筋砼框架结构的延性与抗震设计浅析　蔡　文　（甘肃省建筑设计研究院，甘肃兰州７３００３０）　

摘要：延性是一种物理特性。其所指的是，材料在受力而产生破坏之前的塑性变形能力，与材料的延展性有关。结　构抗震的本质就是延性，提高延性可以增加结构抗震潜力，增强结构抗倒塌能力。结构主要靠延性来抵抗较大地震作　用下的非弹性变形。延性设计使结构具有更加足够的强度和良好的延性，同时具有较好的抗震性能。　关键词：结构延性；抗震设汁；强度；脆性破坏；塑性破坏　中图分类号：ＴＵ３５２　

１　前言　由于地震的不可预见性，它给人类带来的危害　是突发的和较为严重的。为达到建筑抗震“三水准”　设防目标，结构除了有足够的强度外还要有足够的　延性。因此，地震作用下，结构的延性与结构的强度　具有同等重要的意义。目前，能力设计法已为各国　普遍接受，通过能力设计法，形成合理的耗能机制，　使塑性铰出现在延性易于保证的部位；确保结构在　未达到所需要的延性前不至于发生剪切失效；并通　过细部构造措施来保证延性的充分发挥。以保证整　个建筑物实现抗震设防，达到“三水准”的设计要　求。　２延性在抗震设计中的重要性　在我国现在的多高层建筑中，钢筋混凝土结构　应用最为普遍，其中钢筋混凝土框架结构是最常用　的结构形式。因为其具有足够的强度、良好的延性　和较强的整体性，目前广泛用于地震设防地区。钢筋　混凝土框架结构具有良好的抗震性能，然而未经合　理设计的框架结构会在地震作用下产生较严重的　震害。结构抗震的本质就是延性，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，一般用延　性比来表示。提高延性可以增加结构抗震潜力，增强　结构抗倒塌能力。延性结构通过塑性铰区域的变形，　能够有效地吸收和耗散地震能量；同时，这种变形降　低了结构的刚度，致使结构在地震作用下的反应减　小，也就是使地震对结构的作用力减小。对于地震发　生概率极少的抗震结构，延性结构是一种经济的设　计对策。此外，延性可以使超静定结构的内力得以充　分重分布，采用塑性内力重分布方法设计时，同样也　可以节约钢筋用量，取得较好的经济效果。因此可以　说结构的延性和结构的强度是同等重要的。　３结构在地震下的主要特点　地震以波的形式从震源（地面上的相对位置称　震中）向周围快速传播，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　的变形。结构在地震时发生的相应运动称为地震反　应，包括位移、速度、加速度。同时，结构内部发生很　大的内力（应力１和变形，当它们超过了材料和构件　的各项极限值后，结构将出现各种不同程度的破坏　现象，例如混凝土裂缝，钢筋屈服，显著的残余变　形，局部的破损，碎块或构件坠落等等。框架结构在　地震作用下受力性能的主要特点有：　１）地震时结构上作用的“荷载”是结构反应加　速度和质量引起的惯性力，它不像静荷载那样具有　确定的数值。变形较大，延性好的结构，能够耗散更　多的地震能量，地震的反应就减小。静承载力大的　结构，可能因为刚度大、重量大、延性差而招致更严　重的破坏。　２）屈服后的工作阶段——当发生的地震达到　或超出设防烈度时，按照我国现行规范的设计原则　和方法，钢筋混凝土结构一般都将出现不同程度的　损伤。构件和节点受力较大处普遍出现裂缝；部分　受拉钢筋屈服，有残余变形；构件表面局部破损剥　落等。但结构不致倒塌。　３）“地震水平力”低周的反复作用——地震时　结构在水平方向的往复振动，使结构的内力ｆ主要是　弯矩和剪力，有时也有轴力）发生正负交变。由于地　震的时间不长且结构具有阻尼，荷载交变的反复次　第ｌ９期　蔡文：钢筋砼框架结构的延性与抗震设计浅析　１０１　数不多（即低周）。所以，必须研究钢筋混凝土构件在　低周交变荷载作用下的滞回特征。　４）变形大——地震时结构有很大变形。例如桥　墩的侧向位移等。一方面对结构本身产生不利影　响，如柱的二阶（卜Ａ）效应，增大附加弯矩，甚至引　起失稳或倾覆，构造缝相邻结构的碰撞等；另一方　面造成非结构部件的破损，桥梁上部结构的脱落等　破坏。故抗震结构设计时要控制其总变形。　

４影响结构延性的主要因素　框架结构的抗侧力构件由梁一柱以及节点这　三部分组成，各部分的延性决定了整个框架结构的　延性。因此，只要保证柱、梁和节点的延性也就保证　的框架结构的延性，也就确保了框架结构的抗震能　力。　４．１影响梁延性的主要因素　１）梁截面尺寸不宜过小。在地震作用下，梁端　塑性铰区混凝土保护层容易剥落，故梁截面宽度过　小则截面损失比例较大。　２）梁纵筋配筋率。试验表明，当梁纵向受拉钢　筋配筋率很高时，在弯矩达到最大值时，弯矩——　曲率曲线很快出现下降；当配筋率较低时，弯矩达　到最大值后能保持相当长的水平段，因而大大提高　了梁的延性和耗散能量的能力，具体见图１。　

图ｌ梁纵筋配筋章　３）梁纵筋配置。由于受压钢筋可以减小混凝土　受压区高度且在地震作用下梁端可能会出现正弯　矩，再者，如果梁底面钢筋过少，梁下部破坏严重，　会影响梁的承载力和变形能力。因此，梁端截面纵　向受压钢筋与纵向受拉钢筋要保持一定比例，会对　梁的延性有很大的帮助。　４）梁端箍筋加密。在梁端预期塑性铰区段加密　箍筋可以约束混凝土，提高其变形能力，从而获得　较高的梁截面转动能力，增强其延性。《抗震规范》　对此也做出了详细规定。　

４．２影响柱延性的主要因素　１）柱截面形状。框架柱的截面形状，将直接影　响框架柱截面界限破坏时钢筋和混凝土内应力应　变的分布，还将严重影响混凝土受压边缘的极限压　应变，为了保证框架柱有足够的延性，框架柱的截　面尺寸必须在两个主轴方向的刚度相差不宜太大，　《抗震规范》６．３．５条有具体规定。　２）混凝土强度等级。提高混凝土强度可以在不　加大截面的情况下提高轴压比，但混凝土强度过高，　则其极限压应变变小，变形能力变差，对柱子的延　性将产生不利影响。　３）柱轴压比。对考虑抗震时的框架柱，在进行　正截面强度验算之前，首先要对框架柱的轴压比进　行验算。在有关的试验研究和工程震害的实践中已　经表明，在影响钢筋混凝土框架柱延性的众多因素　中，以轴压比所产生的影响最为显著。所以，《建筑抗　震设计规范》及《混凝土结构设计规范》中，均限制　了柱的轴压比，保证框架柱有足够的变形能力，使　钢筋混凝土框架柱在地震作用下不致于发生脆性　破坏，继而保证框架柱“坏而不倒”。　４）柱剪跨比。从有关资料中得知，剪跨ｌ：ｔ（ｈ＝Ｈｎ／　２ｈ）能大体反映出截面上弯曲正应力和剪应力的比　例关系，是决定框架柱是延性破坏还是脆性破坏的　主导因素。钢筋混凝土框架柱剪跨比越大，延性越　好。在一般配筋情况下，　＞２时框架柱在水平剪力　下发生弯曲破坏，对抗震有利；　≤２时，形成短柱，　在水平剪力下剪切破坏。　５）柱纵向钢筋的配筋率。从实际工程设计中可　以得知，增大纵向钢筋配筋率对框架柱本身是有利　的，在一定程度上能提高框架柱截面的延性。但是，　当纵向配筋量达一定值时，对框架柱变形能力的提　高就很不明显了，而且如果纵向钢筋量过大，容易　使柱子产生剪切破坏或粘结破坏，使延性变差。因　此，抗震规范中规定了框架柱的最小配筋率。　６）柱箍筋的配箍率。由于箍筋能改善混凝土的　受力性能，特别是能有效提高混凝土受压区边缘的　最大应变，因此，当箍筋含量特征值越高，柱子的延性　提高就越大。　４－３影响节点延性的主要因素　１）剪压比。为了防止框架节点核芯区出现斜拉　或斜压的脆性破坏，必须控制剪压比，即限制配箍　率，避免框架节点核芯区混凝土的破坏先于箍筋的　屈服，保证节点有一定的延性。　１０２　甘肃科技　第３Ｏ卷　２）轴压比。试验研究表明，在一定范围内轴向　压力可以提高框架节点核芯区混凝土的抗剪承载　力。由于柱轴向压力的作用，在框架节点核芯区混　凝土开裂以前，柱截面受压区面积加大，斜压杆作　用加强。当混凝土出现裂缝时，混凝土块体间产生　咬合力。随着轴压比的增大，抗剪承载力相应增大，　但当轴压比超过某一临界值时，框架节点受压区混　凝土产生微裂缝，使混凝土压碎，抗剪承载力反而　下降。因此要限制轴压比在一定的范围之内以确保　其延性。　３）水平箍筋。在框架节点内配置水平封闭箍　筋，一方面对框架节点核芯区混凝土产生有利约　束，增强传递轴向荷载的能力，另一方面承担部分　水平剪力，提高框架节点的抗剪承载力。试验表明，　配箍适当的框架节点核芯区出现贯通裂缝后，混凝　土承担的剪力继续增加，箍筋全部屈服，混凝土与　箍筋同时充分发挥作用，使节点核芯区受剪承载力　在破坏时达到最大。　５结语　从以上内容可以看出，结构延性在结构的抗震　中起着非常重要的作用，其与结构的承载能力同等　重要。因此，位于抗震区的建筑必须考虑其延性，进　行延性抗震设计，用以抵抗地震作用。设计中，尽量　消除或减少混凝土脆性性质的危害，充分发挥钢筋　塑性性能，做到强节点弱构件、强柱弱梁、强剪弱　弯，提高结构抗震能力，实现对建筑抗震提出了“三　个水准”的设防目标，即通常所说的“小震不坏，中　震可修，大震不倒”。　参考文献：　［１］混凝土结构设计规范ＧＢＳ００１０—２０１０中国建筑工业出　版社，２０１０．　［２］建筑抗震设计规范ＧＢＳ００１１—２０１０中国建筑工业出版　社，２０１０．　［３］高层建筑混凝土结构技术规程ＪＧＪ３—２０１０７中国建筑　工业出版社。２０１０．　

（上接第４３页）　脱去一个ｃＦ２单元。在三氟乙酸分解反应中，各热解　通道均具有较高的能垒，在常规自然条件下三氟乙　酸具有很高的稳定性。　（２）比较各反应通道可知，其中反应通道（１）和　（２）最具有动力学优势，在标准大气压下，温度从　３００Ｋ增加到６００Ｋ时，反应速率常数和平衡常数显　著增加；温度在７００Ｋ一２０００Ｋ范围内，反应速率常数　和平衡常数的增加趋于平缓。　（３）热力学分析表明，升高温度有助于三氟乙　酸的分解，但其降解产物均不是环境友好型产物，　因此热解方法（ｉｎ超声波法）不是除去环境中三氟乙　酸污染物的最佳方法，因为会产生其它环境污染　物，如ＣＯ、ＣＦ３Ｈ等。　参考文献：　［１］　Ｒａｙｎｅ　Ｓ．．Ｆｏｒｅｓｔ　Ｋ．．Ｐｅｄｌｕｏｒｏａｌｋｙｌ　ｓｕｌｆｏｎｉｃ　ａｎｄ　Ｃａｌ＇－　ｂｏｘｙｌｉｃ　ａｃｉｄｓ：ａ　ｃｒｉｔｉｃａｌ　ｒｅｖｉｅｗ　ｏｆ　ｐｈｙｓｉｃｏ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｐｒｏｐ－　ｅｒｔｉｅｓ，ｌｅｖｅｌｓ　ａｎｄ　ｐａｔｔｅｒｎｓ　ｉｎ　ｗａｔｅｒ　ａｎｄ　ｗａｓｔｅｒｗａｔｅｔｓ，ａｎｄ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄｓ［Ｊ］．Ｊ．Ｅｎｖｉｒｏｎ．Ｓｃｉ．Ｈｅａｌｔｈ　Ａ，２００９，　４４：ｌ１４５．　［２］Ｌｉｎｄａ　Ｍ．Ｒ．，Ｄｏｎａｌｄｓｏｎ　Ｄ．Ｊ．．Ｏｖｅｒｔｏｎｅ—ｉｎｄｕｃｅｄ　ｃｈｅｍ—　ｉｓｔｒｙ　ｏｆ　ｔｒｉｆｌｕｏｒｏａｃｅｔｉｃ　ａｃｉｄ：Ａｎ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ａｎｄ　ｔｈｅｏｒｅｔｉ—　ｃａｌ　ｓｔｕｄｙ［Ｊ］．Ｊ．Ｐｈｙｓ．ｔｈｅｍ．Ａ，２００２，１０６：８６５１．　［３］　Ｋｒｕｓｉｅ　Ｊ．Ｐ＿，Ａｌｅｘａｎｄｅｒ　Ａ．，Ｍａｒｃｈｉｏｎｅ　Ｄ．，ｅｔ　ａｌ—Ｇａｓ—