鋼筋混凝土結構抗震延性設計分析

李智明

中信建筑設計研究總院有限公司（430000）

0 前言

抗震性能是評價建筑穩定性的主要參考指標之一。具備良好抗震性能的建筑，能夠有效避免在發生地震時出現連續倒塌現象，從而維護業主安全，維護建設以及施工單位信譽與形象。在施工前進行抗震延性設計，對建筑抗震性能的改善具有積極意義。

1 鋼筋混凝土結構抗震延性

延性指的是在結構超過彈性極限后，無明顯強度與剛度退化下的變形情況的現象。抗震延性指的則是在建筑受地震影響后，而未發生上述變形的現象。在鋼筋混凝土結構建筑的設計中，確保抗震延性達標，有助于使地震發生時能量被逐漸消耗，從而減小對建筑本身的影響，確保結構具有完整性。

2 鋼筋混凝土結構抗震延性設計

2.1 工程概況

本工程為高層建筑，鋼筋混凝土結構，建筑共18層，總面積16 547 m2，包括地上16層，地下6層。其中，地上1～5層作為商用，5層以上為商住兩用，地下1～2層，均為停車場。本建筑處于地殼運動頻繁、板塊活動量大的區域。受到上述地質條件的影響，當地發生地震的風險高，因此，對建筑的抗震性能，通常具有更高的要求。與多層建筑相比，高層建筑的抗震設計更加復雜，而當前建筑行業又面臨著高層建筑數量增加、不斷侵占建筑市場的趨勢。考慮到上述問題，本工程采用多種手段，對鋼筋混凝土結構抗震延性進行了設計。

2.2 有限元分析

2.2.1 倒塌過程分析

地震影響所導致的倒塌過程分析方法主要有4種，其方法的優勢和缺陷具體如下。

方法1:線彈性靜力分析，優勢是簡單便捷，缺陷是應用范圍窄。

方法2:線彈性動力分析，優勢是分析動態性強，缺陷是僅能夠分析小塑性變形。

方法3:非線性靜力分析，優勢是考慮非線性因素，缺陷是無法計算復雜情況。

方法4:非線性動力分析，優勢是充分考慮各因素，缺陷是流程復雜。

結合本工程的需求與特征（工程本身無復雜計算過程），以及各項分析方法的優勢與缺陷，工程考慮采用方法3，即非線性靜力分析，針對建筑結構的抗震延性，進行了有限元分析。

2.2.2 建立有限元模型

常見的用于建筑結構有限元分析的模型，共包括兩種，分別為整體式以及分離式。為了保證分析結果準確，本工程最終采取了后者對結構進行分析。基于上述分析方法，本工程共建立了3種Solid65單元，分別是4面體單元、5面體單元，以及6面體單元。需注意的是，3種單元均假設在無鋼筋情況下建立。

2.2.3 有限元求解

2.2.3.1 加載

首先，需將建筑結構及各項參數輸入到有限元分析軟件中[1]。在本工程中，主要利用ANSYS對結構進行模擬。

2.2.3.2 求解

當加載完成后，即可進行求解。由于工程所選擇的分析方式為非線性靜力分析，故需要從以下流程入手，完成求解過程:首先，建立網格，確定密度，選擇尺寸以及單元（文章所選單元為6面體單元）。其次，將混凝土壓碎，分析性能。最后，觀察收斂情況，了解結構荷載。

2.3 對比分析

2.3.1 建立框架

在對比分析過程中，工程需首先建立鋼筋混凝土框架。建立框架后，需將相關參數輸入到仿真軟件中，通過不斷加載的方式，掌握結構的荷載最大承受值。掌握上述指標后，可以通過以下方案進行分析:

1）縱筋不變，仍延續應用原有參數（縱筋原參數:屈服強度360 MPa，彈性模量2.3×105MPa，泊松比0.3。

2）簡化鋼筋混凝土結構模型，便于分析。

3）無需調整設計的混凝土強度，僅考慮箍筋直徑、強度及配筋間距等參數（箍筋原參數:屈服強度270 MPa，彈性模量2.1×105MPa，泊松比0.3。

2.3.2 結構對比

對結構進行分析與對比的過程中，應考慮到邊中柱失效以及角柱失效的問題[2]。本工程通過分析發現，結合上述兩項因素考慮，如對箍筋參數進行調整，將達到改善建筑本身抗震延性的目的。而在箍筋各項參數之中，調整配筋間距，對抗震延性的影響最大，調整直徑的影響次之。需注意的是，必須對兩者進行同時調整，方可達到目的。

2.4 設計方案

2.4.1 材料選擇

建筑的抗震延性，與其本身材料延性存在較大聯系，故建議選擇高延性混凝土以及鋼筋。單獨就鋼筋而言，應保證其塑性變形能力強，此能力的計算公式如下:

公式中，Fpl代表塑性變形，Mpl代表彎矩，L1代表長度。

就混凝土而言，此材料的抗震延性，與其極限壓應變能力有關，兩者呈正相關。可根據極限曲率，對鋼筋進行選擇，極限曲率計算公式如下:

公式中，φ代表極限曲率，x、ξ分別代表受壓區域實際與相對高度，ε代表極限壓應變，h代表截面高度。

2.4.2 結構體系

經過計算，本工程將連續梁板體系應用到了設計中，上述體系能夠充分滿足工程對抗震延性的需求。本工程基礎部分，主要采用“樓板——框架梁——框架柱——基礎”的方式進行設計。為了提升柱的承載力，可通過約束的方式，對其進行處理。節點部分可通過錨固的方式提升穩定性。為預防構件失效，同時保證抗震延性達標，需適當對縱筋進行調整，使屈服強度下降。

2.4.3 結構布置

工程結構布置的關鍵，在于對平面與立面進行選擇，而兩者選擇的關鍵，則在于控制形狀。在高層建筑中，抗震延性的薄弱區域，一般處于框架梁位置。因此，應重點對上述位置進行設計以及調整。本工程通過計算發現，當將框架梁高度控制在2.7 m時，抗震效果可達到最優。當地震發生時，建筑梁體變形風險將有效下降，結構的穩定性也將明顯提升。通過對工程實踐的觀察發現，建筑遭遇地震后，倒塌的特點一般以連續性強為主。導致上述現象出現的原因，與梁的長度過大有關。故本工程在結構布置時，盡可能減小了梁的長度，避免出現連續倒塌現象。

2.4.4 構造處理

對建筑結構進行處理時，應注重對保護層參數的控制，而需控制的參數一般以厚度為主。為了保證結構穩定，應對配筋進行嚴格控制，還需確保鋼筋之間能夠妥善連接。鋼筋接頭屬于對鋼筋進行連接期間決定連接牢固性的主要因素之一。工程需根據需求，確定接頭所處的區域，對接頭數量進行控制，應避免過多或過少，最終提升建筑的抗震延性。在高層建筑中，部分縱筋較長。為了避免出現連續倒塌現象，可適當通過彎鉤設計的方式，保證設計效果[3]。另外，可適當對錨固進行調整。通常情況下，高層建筑錨固較短，而出于抗震延性考慮，則需要適當增加上述參數，從而保證建筑質量達到規范標準要求。

2.5 設計效果

本工程經過上述設計后，最終確定了施工方案，并將方案應用到了工程建設中。建筑投入使用后，曾發生過1次地震，雖然地震等級不高，但建筑的抗震性能同樣明顯體現，內部居民的生命與財產安全均得到了保證，表明設計成功。

3 結語

本工程在建設前，通過鋼筋混凝土結構抗震延性設計的方式，有效提升了材料選擇、結構設計、節點布置及配筋構造的合理性，不僅增強了抗震延性，且保證了業主安全，維護了工程的信譽與形象。在未來，建筑行業可以本工程為參考，在建立有限元模型的基礎上，通過對比分析的方式，對鋼筋混凝土結構進行優化調整，全面改善抗震延性設計效果，提升建筑質量。