高層鋼筋混凝土建筑結構抗震延性設計

楊宗慧

（承德市正泰建筑設計咨詢有限公司，河北 承德067000）

一、明確鋼筋混凝土框架結構的抗震等級

影響水平地震作用及結構側移大小的因素。首先，建筑場地類別，當建筑場地越軟時，地震作用越大，

房屋的側移越大，反之越小。其次，地震烈度越高時，地震作用越大，房屋側移越大，反之越小。第三，建筑物高度越高時，地震作用越大，房屋側移越大，反之越小。第四，建筑物的重要性越重要時，要求結構的可靠度越高，水平地震作用越大，房屋側移越大，反之越小。為使抗震設計真正達到安全經濟的目的，規范根據上述因素將框架結構分為不同的抗震等級，見表1。

表1：框架結構抗震等級分類

二、規范鋼筋混凝土框架結構的抗震延性設計要點

（一）"強柱弱梁"措施。首先，主要是通過人為增大相對于梁的抗彎能力，使塑性更多的出現在柱端而不是梁端，讓結構在地震引起的動力反應中形成"梁鉸機構"或"梁柱鉸機構"，通過框架梁的塑性變形來耗散地震能量。其次，根據對構件在強震下非線線動力分析可知，強震下，由于構件產生塑性變形，因此可以耗散部分地震能量，同時根據桿系結構塑性力學的分析知道，在保證結構不形成機構的要求下，"梁鉸機構"或"梁柱鉸機構"相對與"柱鉸機構"而言，能夠形成更多的塑性鉸，從而能耗散更多的地震能量，因此我們需要加強柱的抗彎能力，引導結構在強震下形成更優、更合理的"梁鉸機構"或"梁柱鉸機構"。第三，框架結構的延性與塑性鉸分布的部位有關。若梁中先出現塑性鉸形成梁鉸結構，則塑性鉸分布較均勻，每個塑性鉸所要求的彈性變形量也比較小，而且延性要求也較容易實現，若柱中出現塑性鉸而形成柱鉸結構，非彈性變形就集中在某一層的柱中，對柱的延性提出極高的要求，二者往往很難實現，且柱鉸機構伴隨較大的層間位移，這不僅引起不穩定的問題，還會引起結構承受豎向荷載，導致整個結構的倒塌。在經受較大側向位移時，未能確保框架結構的穩定性，并能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，即要求在設計荷載下統一節點上柱段截面積限彎矩的綜合大于梁端極限彎矩總和。這就是所謂的強柱弱梁，既保證框架柱具有足夠的抗彎承載能力儲備，大大減少柱段屈服的可能性。與國外規范相比，建議適當提高作用效用，以相對提高設計可靠性，同時對九度抗震設防區的框架結構應提出更高的延性要求。

（二）強剪弱彎。首先，框架結構的延性與均件的破壞形態有關，框架的抗震設計應遵循強剪弱彎的設計原則，以減少在非彈性變形時發生剪切破壞的可能性。框架結構的強剪弱彎設計原則主要是有設計剪力的計算、抗剪承載力計算公式的選取以及必要的構造措施來實現。實際建立的計算與抗彎承載力的計算相類似，按抗震等級不同采用地震效應調整系數，但較抗彎承載力計算更嚴格，以相對提高抗彎承載力。第三，為減少框架梁柱在非彈性反應趨于發生剪切破壞的危險，梁柱端部的設計剪力應與梁柱端部形成塑性鉸后的極限抗彎強度相對應，抗剪計算公式的選取主要表現為考慮地震作用的反復性及剪切問題的離散性，采用在縱筋屈服后的偏下限抗彎承載力計算公式，并輔以抗震構造措施。與抗彎承載力的計算相類似，抗剪計算一方面需增大結構設計的可靠度(提高作用效用)，而且更為重要的是應根據結構延性要求的不同，即抗震等級的不同，提出不同的抗剪承載力計算公式。第四，在加載初期，混凝土承擔大部分剪力，箍筋起次要作用。隨著構件交叉裂縫形成和發展，混凝土的作用逐漸下降，箍筋起主導作用。這是因為反復加載次數的增加，核心區混凝土裂縫大大開展，從而減小弱剪區混凝土的抗剪能力，另外因混凝土反復張合，導致剪切鉸合面粗糙程度的較低，削弱了骨料間的咬合作用，由于反復加載次數的增加，構件剛度逐漸退化，柱兩側的混凝土逐漸壓潰，剝落而推出工作，導致混凝土抗剪面積的減少，從而小弱抗剪能力，而受壓區混凝土的保護層的剝落及塑性鉸區。較大的非彈性變形，加速了斜裂縫的發展，削弱抗剪能力。同時非彈性循環變形過程減少了構件在給定方向上所能承受的最大非彈性變形。也就是說，抗剪承載力退化隨所要求延性系數的增加而加劇。基于構件的非彈性變形量及循環加載次數有關。第五，用剪力增大系數增大梁端，柱端，剪力墻端，剪力墻洞口連梁端以及梁柱節點中的組合剪力值，并用增大后的剪力設計值進行受剪截面控制條件驗算和受剪承載力設計，以避免在結構出現脆性的剪切破壞。

（三）強節點，強錨固。為保證框架結構的延性，在梁鉸機構充分發揮作用以前，框架節點，縱筋錨固不應過早破壞，框架節點破壞主要是因為節電出核心區箍筋數量不足，在建立和壓力的共同作用下，節點核心區混凝土出現斜裂縫，箍筋屈服至拉斷，柱的縱筋被壓屈以至拉斷而引起的。故規范通過保證核心區混凝土強度及配置足夠數量的箍筋來防止節點核心區的過早剪切破壞，而強錨固要求則通過在靜力設計錨固長度的基礎上疊加一定的抗震附加錨固長度，利用鋼筋錨固段的機械錨固措施來實現的。對于塑性鉸區混凝土與箍筋剪力變化的關系。

三、鋼筋混凝土建筑結構抗震延性設計構造措施

（一）軸壓比與縱筋最大配筋率。合理的受力特征可明顯提高構件延性，為實現受拉鋼筋的屈服限于受壓混凝土壓碎的破壞形式，以提高塑性鉸區域的轉動能力，規范限制軸壓比及縱筋的最大配筋率，同時混凝土受壓屈高度也提出相應要求。

（二）約束箍筋及配筋形式。為保證強柱弱梁，強剪弱彎的設計原則及塑性區域的局部延性，有必要加密塑性區域內的局部延性，有必要加密塑性區域內的箍筋間距。這不僅可提高柱端抗剪能力，還可約束核心區混凝土，對縱向鋼筋提供側向支持，防止大變形下縱筋壓屈，從而改善塑性區域的局部延性。規范對約束箍筋的最小直徑，最大間距，塑性鉸區域的最小長度都做出了詳細規定，并對箍筋肢距及箍筋形式提出了相應要求。

（三）材料要求。材料延性對確保構件延性極為重要，為此規范對材料也提出相應限制，如保證鋼強屈比，延伸率及混凝土強度等級，同時對施工過程中可能出現的鋼筋代換也提出相應限制。

（四）梁柱等構件延性的影響因素。因素主要是混凝土極限壓應變和破壞時的受壓區高度。同時，對于梁而言，無論是對不允許柱出現塑性鉸（底層柱除外）的方案，還是允許柱出現塑性鉸但控制其出現時間和程度的方案，梁端始終都是引導出現塑性鉸的主要部位，所以都希望梁端的塑性變形有良好的延性（即不喪失基本抗彎能力前提下的塑性變形轉動能力）和良好的塑性耗能能力。因此除計算上滿足一定的要求外，還要通過的一系列嚴格的構造措施來滿足梁的這種延性。

結束語。綜上所述，在我國現在的高層建筑中,鋼筋混凝土框架結構是應用最普遍,最常用的結構形式。結構抗震的本質就是延性,提高延性可以增加結構抗震潛力,增強結構抗倒塌能力。設計人員在合理體現框架結構的延性設計時，應進一步增大作用效應以提高結構設計的可靠度，以提高建筑物的抗震性能。

[1]付永峰，郭明明.鋼筋混凝土建筑結構抗震的發展.【會議】河南省土木建筑學會2010年學術大會論文集.2010-03-01.