钢筋砼框架结构的延性设计分析

1、结构抗震的延性设计
大量的实验研究和地震实例表明,在地震(尤其是罕遇地震)作用下,建筑结构大都会进入弹塑性状态,出现弹塑性变形。延性设计，即使结构在构件屈服之后仍具有足够的变形能力,依靠结构的弹塑性变形来消耗地震能量, 保证屈服部分发生延性破坏,避免结构发生脆性破坏和整个结构的倒塌。这种设防思想在新的建筑抗震设计规范中具体化为“小震”（在房屋服役期内最可能遭遇的强烈地震或常遇地震）不坏，“中震”（基本烈度地震）可修和“大震”（罕遇地震）不倒。世界上其他多地震国家的抗震设计规范，也都采用了类似的设计思想。
2、影响抗震结构延性设计的主要因素
1）钢筋的配筋率。增加纵向钢筋配筋率，不仅可以提高结构构件的抵抗弯矩；同时也可以提高塑性铰的转动能力，进而增加结构的延性。
2)箍筋配筋率。由实验研究可知，位移延性随着配箍率的增加而提高。箍筋间距越小,配箍率越大,延性的增长也越显著。增加配箍率,就是增加对混凝土横向变形的约束,提高混凝土的抗压强度。提高配箍率还可以提高混凝土的极限压应变, 使其在混凝土受压区更均匀地分布,从而提高结构构件的极限位移值。
3)材料的强度。提高混凝土的强度,则降低构件的轴压比,无疑可以提高构件的位移延性。但在纵向配筋率相同的条件下,提高混凝土标号等于减少钢筋在换算截面中所占的比重, 也就意味着纵向钢筋配筋率的减少,反而会使位移延性降低。
4)轴压比。试验表明,轴压比是影响压弯构件位移延性的最重要因素。当轴压比过大时,使压弯构件中钢筋的压应变增大,因此,截面必须转动更大的角度才能使受拉区钢筋屈服。这必然使屈服位移大大增加,从而导致构件延性的大幅降低。
三、钢筋混凝土框架结构抗震延性的设计实现。
我国建筑抗震设计规范(GBJ50011-2001)提出的三水准(小震不坏，中震可修，大震不倒)抗震设防目标，是以两阶段的设计方法，并以“强柱弱梁”、“强剪弱弯”及“强节点、强锚固”的延性框架进行设计，并辅以必要的构造措施来保证结构局部薄弱区域的强度与刚度，以加强结构的整体性，增大延性，提高变形能力来实现的。第一阶段设计为强度设计，保证结构满足第一水准抗震设防目标的要求；第二阶段设计为变形验算，保证结构满足第三水准抗震设防目标的要求；第二水准抗震设防目标则由抗震构造措施来加以保证。对于大多数结构，可只进行第一阶段设计，通过概念设计和抗震构造措施来满足第三水准的设防要求。
目前的抗震结构均为超静定结构, 超静定结构屈服破坏时会产生塑性铰,塑性铰的转动能力决定了结构的延性,因此,对抗震结构的延性设计主要集中在对结构构件塑性铰的研究设计上。
1 强柱弱梁
框架结构的延性与塑性铰分布的部位有关。若梁中先出现塑性铰形成梁铰机构，则塑性铰分布比较均匀，每个塑性铰所要求的非弹性变形量也比较小，而且梁铰机构的延性要求也较容易实现。若柱中出现塑性铰而形成柱铰机构，非弹性变形就集中在某一层的柱中，对柱的延性会提出极高的要求，而这在柱中往往难以实现，且柱铰机构将伴随着较大的层间侧移，这不仅引起不稳定的问题，还会危及结构承受垂直荷载的能力，导致整个结构的倒塌。在经受较大侧向位移时，为能确保框架结构的稳定性，并维持它承受竖向荷载的能力，必须要求非弹性变形一般只限于梁内，即要求在设计荷载下同一节点上柱端截面极限(设计)弯矩的总和大于梁端截面极限(设计)弯矩之和。这就是所谓“强柱弱梁”，即保证框架柱具有足够的抗弯承载能力储备，大大减少柱端屈服的可能性。
2 强剪弱弯
框架结构的延性与构件的破坏形态有关。框架的抗震设计应遵循“强剪弱弯”的设计原则，以减少在非弹性变形时发生剪切破坏的可能性。框架结构“强剪弱弯”的设计原则主要由设计剪力的计算、抗剪承载力计算公式的选取以及必要的构造措施来体现。设计剪力(作用效应)的计算与抗弯承载力的计算类似，按抗震等级的不同采用地震效应调整系数，但较抗弯承载力计算更严格，以相对提高抗剪承载力。同时为减少框架梁柱在非弹性反应区域内发生剪切破坏的危险，梁(柱)端部的设计剪力应与梁(柱)端部形成塑性铰后的极限抗弯强度相对应。抗剪计算公式的选取主要表现为考虑到地震作用的反复性及剪切问题的离散性，采用在纵筋屈服后的偏下限抗剪承载力计算公式，并辅以一定的抗震构造措施。与抗弯承载力的计算类似，抗剪计算一方面需增大结构设计的可靠度(提高作用效应),而且更为重要的是应根据结构延性要求的不同，即抗震等级的不同，提出不同的抗剪承载力计算公式。地震作用下钢筋砼框架柱抗剪承载力的各组成部分随加载过程而不断变化，就总体而言，砼的贡献不断减小，箍筋的作用逐渐增加，而且抗剪强度的退化随所要求的延性系数的增加而加剧，即与构件的非弹性变形量及循环加载次数有关。
3 强节点、强锚固
为保证框架结构的延性，在梁铰机构充分发挥作用以前，框架节点、纵筋锚固不应过早破坏。框架节点破坏主要是因为节点处核心区箍筋数量不足，在剪力与压力的共同作用下，节点核心区砼出现斜裂缝，箍筋屈服甚至拉断，柱的纵筋被压屈甚至拉断而引起的。故规范通过保证核心区砼强度及配置足够数量的箍筋来防止节点核心区的过早剪切破坏，而强锚固要求则通过在静力设计锚固长度的基础上叠加一定的抗震附加锚固长度，利用钢筋锚固端的机械锚固措施等来实现。
4 构造措施
按扩大了的柱端抗弯承载力进行设计，理论上可将柱屈服的可能性减少，保证“强柱弱梁”的设计原则。但因各种原因，如梁的实际抗弯强度可能增大，并发地震效应和高振型使柱中反弯点的转移等综合因素影响，要使柱中完全避免塑性铰是困难的，同时为充分实现“强剪弱弯”的要求，保证塑性铰区域的局部延性，也必须通过一定的构造措施来保证结构的良好延性，具体做法如下：
4.1 限制轴压比与纵筋最大配筋率
为实现受拉钢筋的屈服先于受压区砼压碎的破坏形式，以提高塑性铰区域的转动能力，规范限制轴压比及纵筋的最大配筋率，同时对砼受压区高度也提出了相应的要求。
4.2 限制约束箍筋及配箍形式
为保证“强柱弱梁”、“强剪弱弯”的设计原则及塑性铰区域的局部延性，有必要加密塑性铰区域内箍筋间距。这不但可提高柱端抗剪能力，还可约束核心区内砼，对纵向钢筋提供侧向支承，防止大变形下纵筋压曲，从而改善塑性铰区的局部延性。规范对约束箍筋的最小直径、最大间距、塑性铰区域的最小长度等做出了详细的规定，并对箍筋肢距及箍筋形式也提出了相应的要求。
4.3 限制材料
材料延性对确保构件(结构)延性极为重要，为此规范对材料也提出相应的限制，如保证钢筋强屈比、延伸率及砼强度等级等，同时对施工过程中可能出现的钢筋代换也提出相应的限制。
四、结束语
综上所述，建筑物越高，其地震反应也越大，对延性的要求也越高。延性设计的正确实现是当今地震设防地区急需解决的问题之一。我们需要进一步研究结构在动力荷载作用下的反应机理，探索提高结构延性的有效方法。