延性框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點(diǎn)是什么？

【專家解說】：鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)是最常用的結(jié)構(gòu)形式。結(jié)構(gòu)抗震的本質(zhì)就是延性,提高延性可以增加結(jié)構(gòu)抗震潛力,增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗倒塌能力。為了利用結(jié)構(gòu)的彈塑性變形能力耗散地震能量,減輕地震作用下結(jié)構(gòu)的反應(yīng),應(yīng)將鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計成延性框架結(jié)構(gòu)。       鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的各類構(gòu)件應(yīng)具有必要的強(qiáng)度和剛度，并具有良好的延性性能，避免構(gòu)件的脆性破壞，從而導(dǎo)致主體結(jié)構(gòu)受力不合理，地震時出現(xiàn)過早破壞。因此，可以采取措施，做好延性設(shè)計，防止構(gòu)件在地震作用下提前破壞，并避免結(jié)構(gòu)體系出現(xiàn)不應(yīng)有的破壞。參考文獻(xiàn)：1 前言 在現(xiàn)代房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中，延性研究越來越顯得重要，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)延性的研究是塑性設(shè)計方法和抗震設(shè)計理論發(fā)展的基礎(chǔ)。所謂延性是指材料、構(gòu)件和結(jié)構(gòu)在荷載作用下，進(jìn)入非線性狀態(tài)后在承載能力沒有顯著降低情況下的變形能力。描寫延性常用的變量有：材料的韌性，截面的曲率延性系數(shù)，構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的位移延性系數(shù)，塑性鉸轉(zhuǎn)角能力，滯回曲線，耗能能力等。試驗和非線性計算分析表明：構(gòu)件的結(jié)構(gòu)的破壞由受拉鋼筋引起的，常表現(xiàn)出良好的延性，如適筋梁、大偏心受壓柱等；而破壞由混凝土拉斷、剪壞和壓潰控制的常表現(xiàn)為脆性，如素混凝土板、超盡梁、地震作用下剪切破壞的短柱等。 對于建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)來說，一方面，鋼筋混凝土構(gòu)件的功能依賴于整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)功能，任何構(gòu)件一旦離開整體結(jié)構(gòu)，就不再具有它在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中所能發(fā)揮的功能；另一方面，構(gòu)件又影響整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的功能，任何構(gòu)件一旦離開整體結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)喪失的功能不等于該構(gòu)件在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中所發(fā)揮的功能，可能更大，也可能更小。在地震作用下，有可能由于部分構(gòu)件的破壞乃至退出工作，整個結(jié)構(gòu)體系會因此破壞，這里的部分構(gòu)件包括了結(jié)構(gòu)構(gòu)件以及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件。 在地震作用下，混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的破壞可分為脆性破壞和延性破壞兩種，其中脆性破壞的危害時非常大的，設(shè)計上是一定要避免的，而延性破壞時指構(gòu)件承載力沒有顯著降低的情況下，經(jīng)歷很大的非線性變形后所發(fā)生的破壞，在破壞前能給人以警示。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的各類構(gòu)件應(yīng)具有必要的強(qiáng)度和剛度，并具有良好的延性性能，避免構(gòu)件的脆性破壞，從而導(dǎo)致主體結(jié)構(gòu)受力不合理，地震時出現(xiàn)過早破壞。因此，可以采取措施，做好延性設(shè)計，防止構(gòu)件在地震作用下提前破壞，并避免結(jié)構(gòu)體系出現(xiàn)不應(yīng)有的破壞。 2 延性設(shè)計的重要性 目前，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的基本原則是：“ 小震不壞，中震可修，大震不倒”。如果把建筑物設(shè)計成在強(qiáng)烈地震作用下仍呈彈性反應(yīng)，那么建筑物的造價將是十分昂貴的。把建筑物設(shè)計成在強(qiáng)烈地震作用下呈非線性反應(yīng)，進(jìn)入屈服狀態(tài)，靠結(jié)構(gòu)的延性耗散地震能量，從而度過災(zāi)難而不倒塌，建筑物的造價比前者大大降低。此外，結(jié)構(gòu)的延性也是建筑物遇到意外超載、碰撞、爆炸和基礎(chǔ)沉降等引起超過設(shè)計預(yù)計的內(nèi)力和變形是而不突然倒塌的保證。 在實際工程中進(jìn)行延性設(shè)計有重大的意義，可從延性結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性加以說明： 第一,破壞前有明顯預(yù)兆，破壞過程緩慢，確保生命安全，減少財產(chǎn)損失，因而可采用偏小的計算安全可靠度。 第二,出現(xiàn)非預(yù)計荷載，例如偶然超載，荷載反向，溫度升高或基礎(chǔ)沉降引起附加內(nèi)力等情況下，有較強(qiáng)的承受和抗衡能力。而這些因素在設(shè)計中一般是未予考慮的，因此延性材料的后期變形能力可作為出現(xiàn)上述情況的安全儲備。 第三,有利于實現(xiàn)超靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力充分重分布。延性結(jié)構(gòu)容許構(gòu)件的某些臨界截面有一定的轉(zhuǎn)動能力，形成塑性鉸區(qū)域，產(chǎn)生內(nèi)力重分布，從而使鋼筋混凝土超靜定結(jié)構(gòu)能夠按塑性方法進(jìn)行設(shè)計，得到有利的彎矩分布，使配筋合理，節(jié)約材料，而且便于施工。 第四,在承受動力作用（如振動、地震、爆炸等）情況下，能減小慣性力，吸收更大動能，降低動力反應(yīng)，減輕破壞程度，防止結(jié)構(gòu)倒塌以及有利于修復(fù)。 第五,延性結(jié)構(gòu)的后期變形能力，可以作為各種意外情況時的安全儲備。 結(jié)構(gòu)抗震的本質(zhì)就是延性，用受彎構(gòu)件來說舉例：隨著荷載增加，首先受拉區(qū)混凝土出現(xiàn)裂縫，表現(xiàn)出非彈性變形。然后受拉鋼筋屈服，受壓區(qū)高度減小，受壓區(qū)混凝土壓碎，構(gòu)件最終破壞。從受拉鋼筋屈服到壓區(qū)混凝土壓碎，是構(gòu)件的破壞過程。在這過程中，構(gòu)件的承載能力沒有多大變化，但其變形的大小卻決定了破壞的性質(zhì)。 3 影響構(gòu)件延性的因素 ３.１縱向鋼筋配筋率 試驗表明，當(dāng)梁縱向受拉鋼筋配筋率很高時，在彎矩達(dá)到最大值時，彎矩——曲率曲線很快出現(xiàn)下降；當(dāng)配筋率較低時，彎矩達(dá)到最大值后能保持相當(dāng)長的水平段，因而大大提高了梁的延性和耗散能量的能力。理論上，當(dāng)梁的縱向配筋率取為平衡配筋率時，縱向受拉鋼筋屈服與壓區(qū)混凝土壓碎同時發(fā)生，截面延性系數(shù)為零。因此，應(yīng)限制縱向受拉鋼筋配筋率，保證構(gòu)件具有足夠的延性?；炷潦軌簠^(qū)配置受壓鋼筋，可以減少相對受壓區(qū)高度，改善構(gòu)件延性。 ３.２約束構(gòu)件延性 在受壓構(gòu)件或壓彎構(gòu)件中配置封閉式箍筋、螺旋筋等密排橫向鋼筋，可以限制混凝土的橫向變形，提高構(gòu)件的承載力和極限變形能力，使得混凝土構(gòu)件在極限荷載下具有良好延性性能。 箍筋對構(gòu)件延性的貢獻(xiàn)，取決于箍筋的形式和體積配箍率。不同形式的箍筋對核心區(qū)混凝土的約束作用時不相同的，螺旋箍筋對核心區(qū)混凝土產(chǎn)生均勻分布的側(cè)向壓力，使混凝土處于三向受壓狀態(tài)，矩形箍筋只對角隅處混凝土產(chǎn)生有效的約束，側(cè)面混凝土有外凸的趨勢，約束作用降低。因此配有螺旋箍筋的構(gòu)件，其延性好于配有矩形箍筋的構(gòu)件。３.３構(gòu)件的破壞類型 以砼框架結(jié)構(gòu)為例，截面的破壞形態(tài)有剪切破壞、彎曲破壞、小偏心的受壓破壞，大偏心的受壓破壞。但按受力特點(diǎn)可分為兩類：受壓破壞和受拉破壞。其中彎曲破壞和大偏心受壓破壞屬于受拉破壞，剪切破壞和小偏心受壓破壞屬于受壓破壞。受拉破壞是由受拉鋼筋屈服引起的破壞，受拉鋼筋進(jìn)入屈服階段形成塑性鉸，在截面完全破壞達(dá)到承載力極限狀態(tài)前，要經(jīng)歷較大的塑性變形才達(dá)到承載力極限狀態(tài)，由于形成了塑性鉸，截面塑性變形引起截面裂縫急劇開展和變形急劇增加，而后混凝土才達(dá)到極限壓應(yīng)變壓碎，到達(dá)承載力極限狀態(tài)，截面破壞階段能給人以明顯的破壞預(yù)兆，具有延性破壞的性質(zhì)；受壓破壞是由受壓砼壓碎引起或斜截面控制的破壞，破壞過程中未形成塑性鉸無明顯的塑性變形，不能給人以明顯的破壞預(yù)兆，由于這種破壞帶有一定的突然性，具有脆性破壞的性質(zhì)。當(dāng)結(jié)構(gòu)中截面出現(xiàn)受壓破壞時，塑性變形小，結(jié)構(gòu)延性差；當(dāng)結(jié)構(gòu)中截面出現(xiàn)受拉破壞時，塑性變形大，結(jié)構(gòu)延性好。 4 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的延性保證 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的塑性變形性能、混凝土的韌性及鋼筋與混凝土的粘結(jié)錨固性能對結(jié)構(gòu)的延性影響較大，在材料的選用上要考慮這些因素。構(gòu)件的縱筋易選用延伸率較大、與混凝土粘結(jié)性能好的Ⅱ、Ⅲ級鋼筋。采用冷拉鋼筋、高強(qiáng)鋼筋(絲)和鋼絞線等延伸率較低的鋼筋配制預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，只要適當(dāng)配置熱軋非預(yù)應(yīng)力鋼筋、保證配筋指數(shù)不超過一定限制和適當(dāng)提高箍筋構(gòu)造要求，結(jié)構(gòu)的延性也可滿足抗震要求?；炷恋膹?qiáng)度和施工質(zhì)量對鋼筋的粘結(jié)錨固至關(guān)重要，而只有避免鋼筋與混凝土的粘結(jié)錨固失效才能確保結(jié)構(gòu)的延性。因此，為確保鋼筋與混凝土的粘結(jié)，規(guī)范規(guī)定：一級抗震的框架要求混凝土強(qiáng)度等級不低于C30，其它抗震等級時不低于C20。C60 和C60以上的高強(qiáng)混凝土本身的韌性降低，對結(jié)構(gòu)的延性不利。 ４.１軸壓比限值 柱的軸壓比是影響框架結(jié)構(gòu)延性的重要因素。柱的延性隨軸壓比增大而減小，軸壓比超過界限值將發(fā)生小偏壓脆性破壞。在抗震設(shè)計中應(yīng)控制柱的軸壓比不超過限值，使其發(fā)生大偏壓破壞并具有一定延性。規(guī)范規(guī)定，對于框架柱相應(yīng)于一、二、三級抗震時，軸壓比限值分別為0.7、0.8、0.9。這里規(guī)定的軸壓比限值系指柱軸壓力設(shè)計值與柱軸壓承載力設(shè)計值得比值。 ４.２筋的構(gòu)造要求 梁的延性隨截面受壓區(qū)高度減小而增大，一般截面受壓區(qū)高度χ=0.35∶0.20ho時，位移延性系數(shù)相應(yīng)為3～4。所以規(guī)范規(guī)定，一級抗震等級時，χ≤0.25ho，二、三級抗震等級時，χ≤0.35h0，并且要求受壓鋼筋與受拉鋼筋之比控制在一定范圍內(nèi)，即A' s≥0.5As（一級抗震），A' s≥0.3As（二級抗震）。為防止過多的縱向受拉鋼筋在地震中使梁產(chǎn)生粘結(jié)劈裂破壞，規(guī)范還規(guī)定ρs≤2.5%。在地震作用下，梁的反彎點(diǎn)變化很難準(zhǔn)確預(yù)計，所以應(yīng)有足夠數(shù)量的鋼筋貫通梁的上、下部。同時將梁的最小配筋率比非地震作用時的規(guī)定予以提高。為防止地震作用下柱子少筋脆性破壞和超筋粘結(jié)劈裂破壞，柱的縱向配筋率不得少于0.8%、0.7%、0.6%、0.5%、（相應(yīng)于一、二、三、四級抗震等級），角柱的上述限值相應(yīng)提高0.1%；柱的縱向配筋率最大間距不宜超過200 mm。 ４.３箍筋的構(gòu)造要求 箍筋不僅提供構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的抗剪能力，確?！皬?qiáng)柱弱梁”和“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”設(shè)計目標(biāo)的實現(xiàn)，同時還對梁、柱塑性鉸區(qū)混凝土和受壓鋼筋提供約束作用，延緩塑性鉸的破壞過程，從而改善結(jié)構(gòu)的延性和耗能能力。梁和柱的剪切破壞區(qū)和彎壓塑性鉸區(qū)均發(fā)生在構(gòu)件的兩端，因此應(yīng)對構(gòu)件兩端的箍筋加密設(shè)置。加密區(qū)的構(gòu)造要求包括加密區(qū)的長度、箍筋最小直徑、最大間距和最小體積率的規(guī)定。同時規(guī)范還規(guī)定了箍筋延構(gòu)件全長的最小體積率以及節(jié)點(diǎn)的最小體積率。其中柱加密區(qū)和節(jié)點(diǎn)的箍緊最小體積率除與抗震等級有關(guān)外，還與柱的軸壓比和箍筋的類型有關(guān)?？拐鸬燃壐咭蟮淖钚◇w積率高、軸壓比高要求的最小體積率高，采用普通箍筋比采用螺旋箍筋要求的體積率高。對于一級抗震的角柱在地震作用下可能伴隨扭轉(zhuǎn)作用，Hn/h 小于4 的框架柱可能產(chǎn)生剪切破壞，這兩種情況需要在全長加密箍筋?？梢姽拷畹臉?gòu)造規(guī)定是保證“大震不倒”設(shè)計目標(biāo)實現(xiàn)的最重要的措施。 5 結(jié)語 從鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計基本原則，到結(jié)構(gòu)抗震承載力和變形驗算以及抗震構(gòu)造措施的制定，都離不開對結(jié)構(gòu)和構(gòu)件延性的深入研究。更好的研究它和應(yīng)用它，使建筑物既能達(dá)到國家抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，又能夠符合經(jīng)濟(jì)合理的原則。