浅谈框架结构的延性设计

　　[摘要]为防止地震作用对房屋产生严重破坏，使房屋在中等地震作用下，允许部分结构构件屈服进入弹塑性，大震作用下，结构不能倒塌，抗震结构的构件需要延性，抗震结构应该设计成延性结构，利用结构的变形能力抵抗地震作用。必须设计强柱弱梁、强剪弱弯、强节点的框架和延性的梁、柱构件。由于延性比的要求不能定量确定，需要通过构造措施实现构件的延性性能。
　　[关键词]延性比，延性结构，延性梁，延性柱，强柱弱梁、强剪弱弯、强节点
　　地震是地球上的一种自然现象。地震波引起的地面往复振动称为地震地面运动或地震动。对工程设计有影响的是强震地面运动。地震动的特性可以用峰值（最大振幅）、频谱和持续时间三个要素来描述。地震动不是单一频率的简谐振动，而是有很多频率组成的复杂振动。工程中用加速度反应谱表征地震动的频谱特征。加速度反应谱是通过一定阻尼比的单自由度弹性体系的地震反应计算得到的曲线。不同地震加速度时程、相同阻尼比的反应谱曲线不同；同一地震加速度时程、不同阻尼比的反应谱曲线也不同，阻尼比大，相同周期对应的谱值小。增大房屋建筑结构的阻尼，如设置阻尼器等，可以减小结构的地震反应。最大加速度谱值对应的一个周期（频率）或周期范围（频率范围）称地震动的主要周期（主要频率）。
　　通过统计发现，钢筋混凝土房屋建筑结构的震害主要表现为扭转破坏、薄弱层破坏、建筑整体倾斜破坏、鞭梢效应破坏、碰撞破坏、框架柱破坏、剪力墙破坏。而框架梁的震害比较少，究其原因，主要是计算梁的受弯承载力时，不考虑现浇楼板钢筋对梁的承载力的增大作用，因此，即使是按强柱弱梁设计的框架也可能成为强梁弱柱，地震中柱破坏，而梁不破坏。
　　要在中等地震作用下，允许部分结构构件屈服进入弹塑性，大震作用下，结构不能倒塌，抗震结构的构件需要延性，抗震结构应该设计成延性结构。
　　延性是指构件和结构屈服后，具有承载能力不降低或基本不降低、且有足够塑性变形能力的一种性能，一般用延性比表示延性。塑性变形可耗散地震能量，在地震作用下，部分构件进入塑性状态而耗能，耗能性能也是延性好坏的一个指标。延性比是指极限变形与屈服变形的比值。屈服变形是钢筋屈服时的变形，极限变形指承载力降低10%~20%时的变形。
　　对于一个钢筋混凝土结构，当某个构件出现塑性铰时，结构开始出现塑性变形，但一个构件屈服只会使结构刚度略有降低；当出现塑性铰构件数量增多后，结构的塑性变形逐渐加大，结构刚度继续降低；当塑性铰达到一定数量后，结构也会出现“屈服”现象；当整个结构不能维持其承载能力，即承载能力下降到最大承载力的80%~90%时，达到极限位移。结构的延性比指极限位移与屈服顶点位移的比值。
　　在“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设计原则下，钢筋混凝土结构都应该设计成延性结构，在设防烈度地震作用下，允许部分构件出现塑性铰，即“中震可修”状态；当合理控制塑性铰部位、构件又具备足够的延性时，可做到在大震作用下结构不倒塌。高层建筑各种抗侧力体系都是由框架和剪力墙组成的，作为抗震结构都应该设计成延性框架和延性剪力墙。
　　延性结构是用它的变形能力抵抗强烈的地震作用，反之，如果结构的延性不好，则必须用足够大的承载力抵抗地震。然而后者会多用材料，而延性结构是一种经济的、合理且安全的设计对策。
　　由于延性比的要求不能定量确定，延性要求是通过抗震等级体现，通过构造措施实现构件的延性性能。保证延性框架的强柱弱梁、强剪弱弯和强节点核心区的设计概念和构造措施。
　　梁是钢筋混凝土框架的主要延性耗能构件。梁的破坏形态影响梁的延性和耗能性能，而截面配筋数量及构造又是与破坏形态密切相关的，其中梁截面的混凝土相对受压区高度、梁塑性铰区的截面剪压比和混凝土约束程度等为主要影响因素。梁的受拉钢筋配筋率越小，混凝土受压区相对高度也小，截面的塑性变形愈大。实际上，影响梁的延性大小的主要因素是混凝土截面受压区高度，减少受拉配筋，或配置受压钢筋，或采用T形截面及提高混凝土强度等级等，都能减小混凝土受压区相对高度，提高梁的延性。
　　框架结构中，塑性铰应首先出现在梁端部，抗震等级越高的框架，要求梁的延性越大，因此限制梁端部截面受压区高度越严，要求配置的受压钢筋数量也越多。规范要求梁端纵向受拉钢筋的配筋率不应大于2.5%，且计入受压钢筋的梁端混凝土受压区高度和有效高度之比，一级不应大于0.25，二、三级不应大于0.35。梁端截面的底面和顶面纵向钢筋配筋量的比值，除按计算确定外，一级不应小于0.5，二、三级不应小于0.3。可见，在延性框架中过多配置梁的受拉钢筋对延性不利，一方面会减小梁的弯曲塑性铰延性，另一方面会加大屈服时相应的剪力。
　　框架梁端破坏主要集中在梁端塑性铰区范围内，钢筋屈服不是局限在一个面，而是一个区段，塑性铰区不仅出现竖向裂缝，还常常有斜裂缝；在地震往复作用下，竖向裂缝贯通，斜裂缝交叉，混凝土骨料的咬合作用丧失，主要依靠箍筋和纵筋的销键作用传递剪力，这是十分不利的。为了使是塑性铰区具有良好的塑性转动能力，同时防止受压钢筋过早压屈，在梁的两端设置箍筋加密区。为了构件安全，规范要求的箍筋加密区长度比梁实际的塑性铰区长度大。箍筋必须封闭，应有135度弯钩，弯钩直径长度不小于箍筋直径的10倍。
　　框架梁的截面尺寸应满足承载力、刚度和剪压比三方面要求。其中剪压比与延性有关，是指截面平均剪应力与混凝土轴心抗压强度之比，限制剪压比就是限制截面平均剪应力，也就是梁最小截面尺寸要求。若梁截面尺寸小，平均剪应力就大，剪压比也大，这种情况下，增加箍筋并不能有效防止斜裂缝过早出现，即使配置的箍筋数量满足强剪弱弯要求，梁端仍先出现弯曲屈服，但可能在塑性铰没充分发挥其潜能前，构件就沿斜裂缝出现剪切破坏。限制梁的剪跨比也是确定梁最小截面尺寸的条件之一，不符合条件时可加大截面。
　　但需要注意，框架梁、柱组成抗侧力结构，有抗震设计时应有足够的延性。框架结构中的次梁是楼板的组成部分，承受竖向荷载并传递给框架梁，有抗震设计与无抗震设计一样，可不考虑延性，次梁箍筋按剪力确定，构造按非抗震时梁的要求，没有135度弯钩及10倍直径直段的要求。
　　柱是框架结构的竖向构件，地震时柱的破坏比梁破坏更容易引起框架倒塌，必须保证柱的安全。由于有轴心压力的作用，柱的延性影响因素比梁的更复杂，柱的剪跨比、轴压比、箍筋配置及剪压比都是影响破坏形态的主要因素。
　　剪跨比反映了柱截面的作用弯矩和剪力的相对大小。柱的剪跨比大于2为长柱，其弯矩相对较大，易实现压弯破坏；剪跨比在2与1.5之间为短柱，一般发生剪切破坏，若配置足够的箍筋，也可能实现略有延性的剪切受压破坏；剪跨比小于1.5为极短柱，一般都会发生剪切斜拉破坏。
　　大偏压柱截面的受压区高度较小，延性和耗能性能都较好；增大轴压比，也就是增大相对受压区高度，当相对受压区高度超过界限值时就成为小偏压柱，小偏压柱延性较差。为了实现大偏心受压破坏，使柱具有良好的延性和耗能能力，采取的措施之一就是限制柱的轴压比。
　　为提高混凝土极限压应变、改善混凝土延性性能，设置箍筋是有效措施。箍筋数量用综合指标配箍特征值表示，该值越大，构件的延性比提高，但各种箍筋的效果不同，复合箍的效果最好，普通矩形箍的效果最差。另外，在规范中要求框架柱端部设置箍筋加密区，箍筋加密区是提高抗剪承载力和改善柱延性的综合构造措施。设计时，根据柱的部位和重要性，选用恰当的箍筋形式、肢距和箍筋间距。规范上除了对最小配箍特征值作了规定外，为避免配置的箍筋量过少，还对柱的最小体积配箍率作了规定，此外，对最小箍筋直径、最大间距等均作了相关规定。
　　规范除了要求长柱在塑性铰区内加密外，还规定了其它需要箍筋加密区的位置：短柱全高加密，因为短柱主要是剪切破坏，箍筋可以减缓混凝土破碎的程度；错层楼板共用的柱子，由于楼板与柱子单面相交，错层部分剪力大，无论是长柱还是短柱，均需要全高加密；砌筑填充墙是柱受到挤压产生的集中剪力，无法计算得到，因此在填充墙顶的上下相邻范围内，需要加密箍筋。
　　除此之外，规范还要求柱子加强，以达到强柱弱梁的概念设计原则。在规范中，采用了增大柱端弯矩设计值的方法提高柱的承载力，以实现梁先于柱出现塑性铰，实现强柱弱梁设计；为了充分发挥梁铰机制的延性，规范采取了增大底层柱固端截面设计值的措施，将柱底组合弯矩值乘以增大系数，以便推迟框架结构底层固定端截面的屈服；由于地震作用来自双向，并伴随扭转，因此规范要求加大角柱内力设计值，以提高去承载力。
　　虽然框架抗震设计采用了强柱弱梁的设计准则，但并不能保证柱不出现塑性铰。因此，抗震框架柱也要求按强剪弱弯设计，主要方法采用加大剪力设计值提高其受剪承载力。
　　同时，框架柱的截面尺寸应满足承载力、刚度、轴压比和剪压比要求，在高层建筑中大多数情况下尺寸是由轴压比控制的，可以用轴压比限制预估柱截面尺寸，通过计算得到内力和位移后，还要验算是否满足轴压比和剪压比限制的要求。如果柱截面较小，截面的平均剪应力过大，则增加箍筋并不能防止柱早期出现斜裂缝，有可能较早出现剪压破坏，导致柱延性减小。对于剪跨比较小的柱，因为容易剪坏，限制更加严格。
　　另外，梁柱节点核心区的破坏为剪切破坏，可能导致框架失效。在地震往复作用下，伸入核心区的纵筋与混凝土之间粘结破坏，会导致梁端转角增大，从而增大层间位移，甚至破坏，因此要求采用强节点、强锚固的设计措施。规范采用了保证核心区的抗剪承载力的设计方法，配置节点核心区的箍筋以抵抗斜裂缝的开展，要求在梁端钢筋屈服前，核心区不发生剪切破坏，体现了强节点的要求。取梁端截面达到受弯承载力时相应的核心区剪力作为核心区的剪力设计值。抗震等级为一、二级时，根据剪力设计值验算框架节点核心区的抗剪承载力，并计算所需要的箍筋数量，三、四级和非抗震框架核心区，可不验算节点区抗剪承载力，只要求按构造设置箍筋。核心区必须配置一定数量的箍筋，非抗震设计的框架梁柱节点核心区也要配置箍筋。
　　为了保证强节点，核心区内必须配置箍筋，为了保证梁内纵筋在节点核心区的良好锚固，钢筋必须伸入核心区，并要求有弯折，上述配筋往往使节点区配筋过多，造成施工不便，影响延性框架的抗震性能。可通过一些构造措施对节点区改进，比如可以在边节点的柱侧设置突出于柱面的混凝土块，既可保证边柱的节点内钢筋锚固长度，也可缓解钢筋的拥挤程度；还可以用梁水平加腋的方法，扩大节点核心区面积。
　　在实际设计中，可通过对框架梁、柱及节点的延性设计，实现构件及框架的延性性能，从而使建筑满足抗震设计原则的要求。