[摘要]為防止地震作用對房屋產(chǎn)生嚴(yán)重破壞，使房屋在中等地震作用下，允許部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件屈服進(jìn)入彈塑性，大震作用下，結(jié)構(gòu)不能倒塌，抗震結(jié)構(gòu)的構(gòu)件需要延性，抗震結(jié)構(gòu)應(yīng)該設(shè)計成延性結(jié)構(gòu)，利用結(jié)構(gòu)的變形能力抵抗地震作用。必須設(shè)計強柱弱梁、強剪弱彎、強節(jié)點的框架和延性的梁、柱構(gòu)件。由于延性比的要求不能定量確定，需要通過構(gòu)造措施實現(xiàn)構(gòu)件的延性性能。
　　[關(guān)鍵詞]延性比，延性結(jié)構(gòu)，延性梁，延性柱，強柱弱梁、強剪弱彎、強節(jié)點
　　地震是地球上的一種自然現(xiàn)象。地震波引起的地面往復(fù)振動稱為地震地面運動或地震動。對工程設(shè)計有影響的是強震地面運動。地震動的特性可以用峰值（最大振幅）、頻譜和持續(xù)時間三個要素來描述。地震動不是單一頻率的簡諧振動，而是有很多頻率組成的復(fù)雜振動。工程中用加速度反應(yīng)譜表征地震動的頻譜特征。加速度反應(yīng)譜是通過一定阻尼比的單自由度彈性體系的地震反應(yīng)計算得到的曲線。不同地震加速度時程、相同阻尼比的反應(yīng)譜曲線不同；同一地震加速度時程、不同阻尼比的反應(yīng)譜曲線也不同，阻尼比大，相同周期對應(yīng)的譜值小。增大房屋建筑結(jié)構(gòu)的阻尼，如設(shè)置阻尼器等，可以減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。最大加速度譜值對應(yīng)的一個周期（頻率）或周期范圍（頻率范圍）稱地震動的主要周期（主要頻率）。
　　通過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，鋼筋混凝土房屋建筑結(jié)構(gòu)的震害主要表現(xiàn)為扭轉(zhuǎn)破壞、薄弱層破壞、建筑整體傾斜破壞、鞭梢效應(yīng)破壞、碰撞破壞、框架柱破壞、剪力墻破壞。而框架梁的震害比較少，究其原因，主要是計算梁的受彎承載力時，不考慮現(xiàn)澆樓板鋼筋對梁的承載力的增大作用，因此，即使是按強柱弱梁設(shè)計的框架也可能成為強梁弱柱，地震中柱破壞，而梁不破壞。
　　要在中等地震作用下，允許部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件屈服進(jìn)入彈塑性，大震作用下，結(jié)構(gòu)不能倒塌，抗震結(jié)構(gòu)的構(gòu)件需要延性，抗震結(jié)構(gòu)應(yīng)該設(shè)計成延性結(jié)構(gòu)。
　　延性是指構(gòu)件和結(jié)構(gòu)屈服后，具有承載能力不降低或基本不降低、且有足夠塑性變形能力的一種性能，一般用延性比表示延性。塑性變形可耗散地震能量，在地震作用下，部分構(gòu)件進(jìn)入塑性狀態(tài)而耗能，耗能性能也是延性好壞的一個指標(biāo)。延性比是指極限變形與屈服變形的比值。屈服變形是鋼筋屈服時的變形，極限變形指承載力降低10%~20%時的變形。
　　對于一個鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，當(dāng)某個構(gòu)件出現(xiàn)塑性鉸時，結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)塑性變形，但一個構(gòu)件屈服只會使結(jié)構(gòu)剛度略有降低；當(dāng)出現(xiàn)塑性鉸構(gòu)件數(shù)量增多后，結(jié)構(gòu)的塑性變形逐漸加大，結(jié)構(gòu)剛度繼續(xù)降低；當(dāng)塑性鉸達(dá)到一定數(shù)量后，結(jié)構(gòu)也會出現(xiàn)“屈服”現(xiàn)象；當(dāng)整個結(jié)構(gòu)不能維持其承載能力，即承載能力下降到最大承載力的80%~90%時，達(dá)到極限位移。結(jié)構(gòu)的延性比指極限位移與屈服頂點位移的比值。
　　在“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)計原則下，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)都應(yīng)該設(shè)計成延性結(jié)構(gòu)，在設(shè)防烈度地震作用下，允許部分構(gòu)件出現(xiàn)塑性鉸，即“中震可修”狀態(tài)；當(dāng)合理控制塑性鉸部位、構(gòu)件又具備足夠的延性時，可做到在大震作用下結(jié)構(gòu)不倒塌。高層建筑各種抗側(cè)力體系都是由框架和剪力墻組成的，作為抗震結(jié)構(gòu)都應(yīng)該設(shè)計成延性框架和延性剪力墻。
　　延性結(jié)構(gòu)是用它的變形能力抵抗強烈的地震作用，反之，如果結(jié)構(gòu)的延性不好，則必須用足夠大的承載力抵抗地震。然而后者會多用材料，而延性結(jié)構(gòu)是一種經(jīng)濟(jì)的、合理且安全的設(shè)計對策。
　　由于延性比的要求不能定量確定，延性要求是通過抗震等級體現(xiàn)，通過構(gòu)造措施實現(xiàn)構(gòu)件的延性性能。保證延性框架的強柱弱梁、強剪弱彎和強節(jié)點核心區(qū)的設(shè)計概念和構(gòu)造措施。
　　梁是鋼筋混凝土框架的主要延性耗能構(gòu)件。梁的破壞形態(tài)影響梁的延性和耗能性能，而截面配筋數(shù)量及構(gòu)造又是與破壞形態(tài)密切相關(guān)的，其中梁截面的混凝土相對受壓區(qū)高度、梁塑性鉸區(qū)的截面剪壓比和混凝土約束程度等為主要影響因素。梁的受拉鋼筋配筋率越小，混凝土受壓區(qū)相對高度也小，截面的塑性變形愈大。實際上，影響梁的延性大小的主要因素是混凝土截面受壓區(qū)高度，減少受拉配筋，或配置受壓鋼筋，或采用T形截面及提高混凝土強度等級等，都能減小混凝土受壓區(qū)相對高度，提高梁的延性。
　　框架結(jié)構(gòu)中，塑性鉸應(yīng)首先出現(xiàn)在梁端部，抗震等級越高的框架，要求梁的延性越大，因此限制梁端部截面受壓區(qū)高度越嚴(yán)，要求配置的受壓鋼筋數(shù)量也越多。規(guī)范要求梁端縱向受拉鋼筋的配筋率不應(yīng)大于2.5%，且計入受壓鋼筋的梁端混凝土受壓區(qū)高度和有效高度之比，一級不應(yīng)大于0.25，二、三級不應(yīng)大于0.35。梁端截面的底面和頂面縱向鋼筋配筋量的比值，除按計算確定外，一級不應(yīng)小于0.5，二、三級不應(yīng)小于0.3。可見，在延性框架中過多配置梁的受拉鋼筋對延性不利，一方面會減小梁的彎曲塑性鉸延性，另一方面會加大屈服時相應(yīng)的剪力。
　　框架梁端破壞主要集中在梁端塑性鉸區(qū)范圍內(nèi)，鋼筋屈服不是局限在一個面，而是一個區(qū)段，塑性鉸區(qū)不僅出現(xiàn)豎向裂縫，還常常有斜裂縫；在地震往復(fù)作用下，豎向裂縫貫通，斜裂縫交叉，混凝土骨料的咬合作用喪失，主要依靠箍筋和縱筋的銷鍵作用傳遞剪力，這是十分不利的。為了使是塑性鉸區(qū)具有良好的塑性轉(zhuǎn)動能力，同時防止受壓鋼筋過早壓屈，在梁的兩端設(shè)置箍筋加密區(qū)。為了構(gòu)件安全，規(guī)范要求的箍筋加密區(qū)長度比梁實際的塑性鉸區(qū)長度大。箍筋必須封閉，應(yīng)有135度彎鉤，彎鉤直徑長度不小于箍筋直徑的10倍。
　　框架梁的截面尺寸應(yīng)滿足承載力、剛度和剪壓比三方面要求。其中剪壓比與延性有關(guān)，是指截面平均剪應(yīng)力與混凝土軸心抗壓強度之比，限制剪壓比就是限制截面平均剪應(yīng)力，也就是梁最小截面尺寸要求。若梁截面尺寸小，平均剪應(yīng)力就大，剪壓比也大，這種情況下，增加箍筋并不能有效防止斜裂縫過早出現(xiàn)，即使配置的箍筋數(shù)量滿足強剪弱彎要求，梁端仍先出現(xiàn)彎曲屈服，但可能在塑性鉸沒充分發(fā)揮其潛能前，構(gòu)件就沿斜裂縫出現(xiàn)剪切破壞。限制梁的剪跨比也是確定梁最小截面尺寸的條件之一，不符合條件時可加大截面。
　　但需要注意，框架梁、柱組成抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，有抗震設(shè)計時應(yīng)有足夠的延性�？蚣芙Y(jié)構(gòu)中的次梁是樓板的組成部分，承受豎向荷載并傳遞給框架梁，有抗震設(shè)計與無抗震設(shè)計一樣，可不考慮延性，次梁箍筋按剪力確定，構(gòu)造按非抗震時梁的要求，沒有135度彎鉤及10倍直徑直段的要求。
　　柱是框架結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件，地震時柱的破壞比梁破壞更容易引起框架倒塌，必須保證柱的安全。由于有軸心壓力的作用，柱的延性影響因素比梁的更復(fù)雜，柱的剪跨比、軸壓比、箍筋配置及剪壓比都是影響破壞形態(tài)的主要因素。
　　剪跨比反映了柱截面的作用彎矩和剪力的相對大小。柱的剪跨比大于2為長柱，其彎矩相對較大，易實現(xiàn)壓彎破壞；剪跨比在2與1.5之間為短柱，一般發(fā)生剪切破壞，若配置足夠的箍筋，也可能實現(xiàn)略有延性的剪切受壓破壞；剪跨比小于1.5為極短柱，一般都會發(fā)生剪切斜拉破壞。
　　大偏壓柱截面的受壓區(qū)高度較小，延性和耗能性能都較好；增大軸壓比，也就是增大相對受壓區(qū)高度，當(dāng)相對受壓區(qū)高度超過界限值時就成為小偏壓柱，小偏壓柱延性較差。為了實現(xiàn)大偏心受壓破壞，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軸壓比。
　　為提高混凝土極限壓應(yīng)變、改善混凝土延性性能，設(shè)置箍筋是有效措施。箍筋數(shù)量用綜合指標(biāo)配箍特征值表示，該值越大，構(gòu)件的延性比提高，但各種箍筋的效果不同，復(fù)合箍的效果最好，普通矩形箍的效果最差。另外，在規(guī)范中要求框架柱端部設(shè)置箍筋加密區(qū)，箍筋加密區(qū)是提高抗剪承載力和改善柱延性的綜合構(gòu)造措施。設(shè)計時，根據(jù)柱的部位和重要性，選用恰當(dāng)?shù)墓拷钚问�、肢距和箍筋間距。規(guī)范上除了對最小配箍特征值作了規(guī)定外，為避免配置的箍筋量過少，還對柱的最小體積配箍率作了規(guī)定，此外，對最小箍筋直徑、最大間距等均作了相關(guān)規(guī)定。
　　規(guī)范除了要求長柱在塑性鉸區(qū)內(nèi)加密外，還規(guī)定了其它需要箍筋加密區(qū)的位置：短柱全高加密，因為短柱主要是剪切破壞，箍筋可以減緩混凝土破碎的程度；錯層樓板共用的柱子，由于樓板與柱子單面相交，錯層部分剪力大，無論是長柱還是短柱，均需要全高加密；砌筑填充墻是柱受到擠壓產(chǎn)生的集中剪力，無法計算得到，因此在填充墻頂?shù)纳舷孪噜彿秶鷥?nèi)，需要加密箍筋。
　　除此之外，規(guī)范還要求柱子加強，以達(dá)到強柱弱梁的概念設(shè)計原則。在規(guī)范中，采用了增大柱端彎矩設(shè)計值的方法提高柱的承載力，以實現(xiàn)梁先于柱出現(xiàn)塑性鉸，實現(xiàn)強柱弱梁設(shè)計；為了充分發(fā)揮梁鉸機(jī)制的延性，規(guī)范采取了增大底層柱固端截面設(shè)計值的措施，將柱底組合彎矩值乘以增大系數(shù)，以便推遲框架結(jié)構(gòu)底層固定端截面的屈服；由于地震作用來自雙向，并伴隨扭轉(zhuǎn)，因此規(guī)范要求加大角柱內(nèi)力設(shè)計值，以提高去承載力。
　　雖然框架抗震設(shè)計采用了強柱弱梁的設(shè)計準(zhǔn)則，但并不能保證柱不出現(xiàn)塑性鉸。因此，抗震框架柱也要求按強剪弱彎設(shè)計，主要方法采用加大剪力設(shè)計值提高其受剪承載力。
　　同時，框架柱的截面尺寸應(yīng)滿足承載力、剛度、軸壓比和剪壓比要求，在高層建筑中大多數(shù)情況下尺寸是由軸壓比控制的，可以用軸壓比限制預(yù)估柱截面尺寸，通過計算得到內(nèi)力和位移后，還要驗算是否滿足軸壓比和剪壓比限制的要求。如果柱截面較小，截面的平均剪應(yīng)力過大，則增加箍筋并不能防止柱早期出現(xiàn)斜裂縫，有可能較早出現(xiàn)剪壓破壞，導(dǎo)致柱延性減小。對于剪跨比較小的柱，因為容易剪壞，限制更加嚴(yán)格。
　　另外，梁柱節(jié)點核心區(qū)的破壞為剪切破壞，可能導(dǎo)致框架失效。在地震往復(fù)作用下，伸入核心區(qū)的縱筋與混凝土之間粘結(jié)破壞，會導(dǎo)致梁端轉(zhuǎn)角增大，從而增大層間位移，甚至破壞，因此要求采用強節(jié)點、強錨固的設(shè)計措施。規(guī)范采用了保證核心區(qū)的抗剪承載力的設(shè)計方法，配置節(jié)點核心區(qū)的箍筋以抵抗斜裂縫的開展，要求在梁端鋼筋屈服前，核心區(qū)不發(fā)生剪切破壞，體現(xiàn)了強節(jié)點的要求。取梁端截面達(dá)到受彎承載力時相應(yīng)的核心區(qū)剪力作為核心區(qū)的剪力設(shè)計值�？拐鸬燃墳橐弧⒍�級時，根據(jù)剪力設(shè)計值驗算框架節(jié)點核心區(qū)的抗剪承載力，并計算所需要的箍筋數(shù)量，三、四級和非抗震框架核心區(qū)，可不驗算節(jié)點區(qū)抗剪承載力，只要求按構(gòu)造設(shè)置箍筋。核心區(qū)必須配置一定數(shù)量的箍筋，非抗震設(shè)計的框架梁柱節(jié)點核心區(qū)也要配置箍筋。
　　為了保證強節(jié)點，核心區(qū)內(nèi)必須配置箍筋，為了保證梁內(nèi)縱筋在節(jié)點核心區(qū)的良好錨固，鋼筋必須伸入核心區(qū)，并要求有彎折，上述配筋往往使節(jié)點區(qū)配筋過多，造成施工不便，影響延性框架的抗震性能�？赏ㄟ^一些構(gòu)造措施對節(jié)點區(qū)改進(jìn)，比如可以在邊節(jié)點的柱側(cè)設(shè)置突出于柱面的混凝土塊，既可保證邊柱的節(jié)點內(nèi)鋼筋錨固長度，也可緩解鋼筋的擁擠程度；還可以用梁水平加腋的方法，擴(kuò)大節(jié)點核心區(qū)面積。
　　在實際設(shè)計中，可通過對框架梁、柱及節(jié)點的延性設(shè)計，實現(xiàn)構(gòu)件及框架的延性性能，從而使建筑滿足抗震設(shè)計原則的要求。

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