摘要：隨著房屋建筑層數(shù)的增高，在地震設(shè)防地區(qū)的結(jié)構(gòu)延性設(shè)計至關(guān)重要。本文分析了影響抗震結(jié)構(gòu)延性設(shè)計的主要因素及其實現(xiàn)延性設(shè)計的機(jī)理與方法。 

　　 關(guān)鍵詞：房屋建筑 結(jié)構(gòu)抗震 延性設(shè)計 實現(xiàn)方法 

　　 一、結(jié)構(gòu)的延性在抗震設(shè)計中的重要性及概念 

　　在我國的高層建筑中，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用最為普遍，其中鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)是最常用的結(jié)構(gòu)形式。因為其具有足夠的強(qiáng)度、良好的延性和較強(qiáng)的整體性，目前廣泛應(yīng)用于地震設(shè)防地區(qū)。鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，然而未經(jīng)合理設(shè)計的框架結(jié)構(gòu)會在地震作用下產(chǎn)生較嚴(yán)重的震害。結(jié)構(gòu)抗震的本質(zhì)就是延性，延性是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在承載能力沒有顯著下降的情況下承受變形的能力。破壞前無明顯預(yù)兆，力-變形曲線達(dá)到最大承載力后突然下跌形成明顯尖峰的構(gòu)件（結(jié)構(gòu)）稱為脆性構(gòu)件（結(jié)構(gòu)）。破壞前有明顯預(yù)兆，力-變形曲線在最大承載力附近存在明顯的平臺，能承受較大變形而承載力無顯著降低的構(gòu)件（結(jié)構(gòu)）稱為延性構(gòu)件（結(jié)構(gòu)），如圖所示。 

　　 脆性構(gòu)件（結(jié)構(gòu)）力―變形曲線延性構(gòu)件（結(jié)構(gòu)）力―變形曲線 

　　 1、結(jié)構(gòu)抗震的延性設(shè)計 

　　 大量的實驗研究和地震實例表明,在地震(尤其是罕遇地震)作用下,建筑結(jié)構(gòu)大都會進(jìn)入彈塑性狀態(tài),出現(xiàn)彈塑性變形。延性設(shè)計，即使結(jié)構(gòu)在構(gòu)件屈服之后仍具有足夠的變形能力,依靠結(jié)構(gòu)的彈塑性變形來消耗地震能量, 保證屈服部分發(fā)生延性破壞,避免結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞和整個結(jié)構(gòu)的倒塌。這種設(shè)防思想在新的建筑抗震設(shè)計規(guī)范中具體化為“小震”（在房屋服役期內(nèi)最可能遭遇的強(qiáng)烈地震或常遇地震）不壞，“中震”（基本烈度地震）可修和“大震”（罕遇地震）不倒。世界上其他多地震國家的抗震設(shè)計規(guī)范，也都采用了類似的設(shè)計思想。 

　　 2、影響抗震結(jié)構(gòu)延性設(shè)計的主要因素 

　　 1）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；同時也可以提高塑性鉸的轉(zhuǎn)動能力，進(jìn)而增加結(jié)構(gòu)的延性。 

　　 2)箍筋配筋率。由實驗研究可知，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,延性的增長也越顯著。增加配箍率,就是增加對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。 

　　 3)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,反而會使位移延性降低。 

　　 4)軸壓比。試驗表明,軸壓比是影響壓彎構(gòu)件位移延性的最重要因素。當(dāng)軸壓比過大時,使壓彎構(gòu)件中鋼筋的壓應(yīng)變增大,因此,截面必須轉(zhuǎn)動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、鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震延性的設(shè)計實現(xiàn)。 

　　 我國建筑抗震設(shè)計規(guī)范(GBJ50011-2001)提出的三水準(zhǔn)(小震不壞，中震可修，大震不倒)抗震設(shè)防目標(biāo)，是以兩階段的設(shè)計方法，并以“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)剪弱彎”及“強(qiáng)節(jié)點、強(qiáng)錨固”的延性框架進(jìn)行設(shè)計，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)度與剛度，以加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性，增大延性，提高變形能力來實現(xiàn)的。第一階段設(shè)計為強(qiáng)度設(shè)計，保證結(jié)構(gòu)滿足第一水準(zhǔn)抗震設(shè)防目標(biāo)的要求；第二階段設(shè)計為變形驗算，保證結(jié)構(gòu)滿足第三水準(zhǔn)抗震設(shè)防目標(biāo)的要求；第二水準(zhǔn)抗震設(shè)防目標(biāo)則由抗震構(gòu)造措施來加以保證。對于大多數(shù)結(jié)構(gòu)，可只進(jìn)行第一階段設(shè)計，通過概念設(shè)計和抗震構(gòu)造措施來滿足第三水準(zhǔn)的設(shè)防要求。 

　　 目前的抗震結(jié)構(gòu)均為超靜定結(jié)構(gòu), 超靜定結(jié)構(gòu)屈服破壞時會產(chǎn)生塑性鉸,塑性鉸的轉(zhuǎn)動能力決定了結(jié)構(gòu)的延性,因此,對抗震結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計主要集中在對結(jié)構(gòu)構(gòu)件塑性鉸的研究設(shè)計上。 

　　 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)塑性鉸形成梁鉸機(jī)構(gòu)，則塑性鉸分布比較均勻，每個塑性鉸所要求的非彈性變形量也比較小，而且梁鉸機(jī)構(gòu)的延性要求也較容易實現(xiàn)。若柱中出現(xiàn)塑性鉸而形成柱鉸機(jī)構(gòu)，非彈性變形就集中在某一層的柱中，對柱的延性會提出極高的要求，而這在柱中往往難以實現(xiàn)，且柱鉸機(jī)構(gòu)將伴隨著較大的層間側(cè)移，這不僅引起不穩(wěn)定的問題，還會危及結(jié)構(gòu)承受垂直荷載的能力，導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)的倒塌。在經(jīng)受較大側(cè)向位移時，為能確保框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并維持它承受豎向荷載的能力，必須要求非彈性變形一般只限于梁內(nèi)，即要求在設(shè)計荷載下同一節(jié)點上柱端截面極限(設(shè)計)彎矩的總和大于梁端截面極限(設(shè)計)彎矩之和。這就是所謂“強(qiáng)柱弱梁”，即保證框架柱具有足夠的抗彎承載能力儲備，大大減少柱端屈服的可能性。 

　　 2 強(qiáng)剪弱彎 

　　 框架結(jié)構(gòu)的延性與構(gòu)件的破壞形態(tài)有關(guān)。框架的抗震設(shè)計應(yīng)遵循“強(qiáng)剪弱彎”的設(shè)計原則，以減少在非彈性變形時發(fā)生剪切破壞的可能性�？蚣芙Y(jié)構(gòu)“強(qiáng)剪弱彎”的設(shè)計原則主要由設(shè)計剪力的計算、抗剪承載力計算公式的選取以及必要的構(gòu)造措施來體現(xiàn)。設(shè)計剪力(作用效應(yīng))的計算與抗彎承載力的計算類似，按抗震等級的不同采用地震效應(yīng)調(diào)整系數(shù)，但較抗彎承載力計算更嚴(yán)格，以相對提高抗剪承載力。同時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，梁(柱)端部的設(shè)計剪力應(yīng)與梁(柱)端部形成塑性鉸后的極限抗彎強(qiáng)度相對應(yīng)�？辜粲嬎愎�式的選取主要表現(xiàn)為考慮到地震作用的反復(fù)性及剪切問題的離散性，采用在縱筋屈服后的偏下限抗剪承載力計算公式，并輔以一定的抗震構(gòu)造措施。與抗彎承載力的計算類似，抗剪計算一方面需增大結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠度(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，即抗震等級的不同，提出不同的抗剪承載力計算公式。地震作用下鋼筋砼框架柱抗剪承載力的各組成部分隨加載過程而不斷變化，就總體而言，砼的貢獻(xiàn)不斷減小，箍筋的作用逐漸增加，而且抗剪強(qiáng)度的退化隨所要求的延性系數(shù)的增加而加劇，即與構(gòu)件的非彈性變形量及循環(huán)加載次數(shù)有關(guān)。 

　　 3 強(qiáng)節(jié)點、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、縱筋錨固不應(yīng)過早破壞。框架節(jié)點破壞主要是因為節(jié)點處核心區(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)范通過保證核心區(qū)砼強(qiáng)度及配置足夠數(shù)量的箍筋來防止節(jié)點核心區(qū)的過早剪切破壞，而強(qiáng)錨固要求則通過在靜力設(shè)計錨固長度的基礎(chǔ)上疊加一定的抗震附加錨固長度，利用鋼筋錨固端的機(jī)械錨固措施等來實現(xiàn)。 

　　 4 構(gòu)造措施 

　　 按擴(kuò)大了的柱端抗彎承載力進(jìn)行設(shè)計，理論上可將柱屈服的可能性減少，保證“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計原則。但因各種原因，如梁的實際抗彎強(qiáng)度可能增大，并發(fā)地震效應(yīng)和高振型使柱中反彎點的轉(zhuǎn)移等綜合因素影響，要使柱中完全避免塑性鉸是困難的，同時為充分實現(xiàn)“強(qiáng)剪弱彎”的要求，保證塑性鉸區(qū)域的局部延性，也必須通過一定的構(gòu)造措施來保證結(jié)構(gòu)的良好延性，具體做法如下： 

　　 4.1限制軸壓比與縱筋最大配筋率 

　　 為實現(xiàn)受拉鋼筋的屈服先于受壓區(qū)砼壓碎的破壞形式，以提高塑性鉸區(qū)域的轉(zhuǎn)動能力，規(guī)范限制軸壓比及縱筋的最大配筋率，同時對砼受壓區(qū)高度也提出了相應(yīng)的要求。 

　　 4.2 限制約束箍筋及配箍形式 

　　 為保證“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)剪弱彎”的設(shè)計原則及塑性鉸區(qū)域的局部延性，有必要加密塑性鉸區(qū)域內(nèi)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)砼，對縱向鋼筋提供側(cè)向支承，防止大變形下縱筋壓曲，從而改善塑性鉸區(qū)的局部延性。規(guī)范對約束箍筋的最小直徑、最大間距、塑性鉸區(qū)域的最小長度等做出了詳細(xì)的規(guī)定，并對箍筋肢距及箍筋形式也提出了相應(yīng)的要求。 

　　 4.3 限制材料 

　　 材料延性對確保構(gòu)件(結(jié)構(gòu))延性極為重要，為此規(guī)范對材料也提出相應(yīng)的限制，如保證鋼筋強(qiáng)屈比、延伸率及砼強(qiáng)度等級等，同時對施工過程中可能出現(xiàn)的鋼筋代換也提出相應(yīng)的限制。 

　　四、結(jié)束語 

　　 綜上所述，建筑物越高，其地震反應(yīng)也越大，對延性的要求也越高。延性設(shè)計的正確實現(xiàn)是當(dāng)今地震設(shè)防地區(qū)急需解決的問題之一。我們需要進(jìn)一步研究結(jié)構(gòu)在動力荷載作用下的反應(yīng)機(jī)理，探索提高結(jié)構(gòu)延性的有效方法。