砼框架结构延性设计探讨

张 志 俊

(黄冈职业技术学院，湖北 黄冈 438002)

在现代房屋结构体系中，砼框架结构是常用的房屋结构体系。砼框架结构延性设计是砼框架结构塑性设计方法和抗震设计理论发展的基础。砼框架结构的延性是指砼框架结构进入破坏阶段后, 在承载能力没有显著下降的情况下承受塑性变形的能力。也就是说, 延性反映的是砼框架结构后期的塑性变形能力, 即是从钢筋开始屈服进入破坏阶段直至最大承载力时整个过程结构的塑性变形能力。砼框架结构延性的发挥是以结构在承载力极限状态下出现梁端塑性铰产生显著的塑性变形为标志[1]。混凝土框架结构结构或构件的破坏可分为脆性破坏(受压破坏)和延性破坏(受拉破坏)两种，其中脆性破坏(受压破坏)是突然性的，在破坏前不能给人以警示，危害非常大，在设计上一定要避免出现此种情况；而延性破坏(受拉破坏)是指构件承载力没有显著降低的情况下，经历很大的非线性变形后所发生的破坏，在破坏前能给人以警示，是规范规定的设计破坏类型，在砼框架结构设计中是通过砼框架结构延性设计确保砼框架结构超载时实现延性(受拉破坏)。

1 砼框架结构延性设计的重要性

目前，我国抗震设计的基本原则是：“小震不坏，中震可修，大震不倒。”虽然《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)引入了抗震性能化设计，抗震性能化设计是我国抗震设计发展趋势，但是目前在实际工程中对砼框架结构抗震设计大部分工程仍然采用与我国目前经济相适应的低承载力高延性设计。实现大震不坏的抗震设防目标需要砼框架结构在大震作用下仍然处于弹性状态，由于砼框架结构在设计使用期限内大震作用不一定出现，高承载力低延性的抗震设计会使砼框架结构造价高，与我国目前经济水平不相适应，且砼框架结构设计中一般未考虑出现的非预计荷载可以通过砼框架结构延性设计确保砼框架结构超载时实现延性破坏，因此目前进行砼框架结构延性设计意义仍然十分重大。

(1)对于砼框架结构设计中一般未考虑非预计荷载，例如偶然超载，温度升高或基础沉降引起附加内力等情况下，有较强的承受和抗衡能力，延性材料的后期变形能力可作为出现非预计荷载情况的安全储备。

(2)有利于实现砼框架结构内力充分重分布。砼框架结构属于超静定结构，超静定结构的内力与截面的抗弯刚度有关，若把砼框架结构设计成为延性结构，则随着荷载的增加，将在砼框架结构梁端首先出现裂缝，引起梁各截面之间相对刚度发生变化,因而导致砼框架梁中内力重分布。在砼框架结构梁端受拉钢筋屈服后,表现在砼框架结构梁端出现塑性铰,由于砼框架结构梁端塑性铰出现,改变了砼框架结构计算简图,砼框架结构将发生显著的内力重分布,得到有利的弯矩分布，使配筋合理，节约材料，而且便于砼框架结构节点施工。

(3)有利于增强砼框架结构的抗震性能。砼框架结构的抗震性能主要取决于结构的承载力和变形能力,结构的塑性变形能力越大,结构的刚度就越小,受到的地震作用就越小,对于有抗震设防要求的框架结构,结构的延性有利于吸收和耗散地震能量,减少地震作用效应。通过在小地震作用下砼框架结构处于弹性状态时延性框架设计,减少中、大地震对砼框架结构作用效应,增强砼框架结构的抗震性能,满足砼框架结构大震不倒的抗震设防要求。

2 砼框架结构延性设计应满足的条件

(1)要实现砼延性框架结构设计，就必须保证梁柱构件有足够的延性。砼梁剪切破坏是脆性破坏，砼柱小偏心受压破坏是脆性破坏，脆性破坏中延性很小，因此砼梁要避免出现剪切破坏，砼柱要避免出现小偏心受压破坏。

(2)要实现砼延性框架结构设计，就必须保证塑性铰出现在框架结构梁端。因为框架结构梁端出现塑性铰，只会改变框架结构计算简图而不会形成机构。

(3)要实现砼延性框架结构设计，就必须保证塑性铰不出现在框架结构的柱中。因为框架结构的柱中出现塑性铰容易形成机构，如果在同一层柱上下两端出现塑性铰，则该层变形迅速加大，成为不稳定结构而倒塌。

(4)要实现砼延性框架结构设计，就必须保证节点区不出现剪切破坏，支座连接和锚固不出现破坏。因为梁柱承载力和变形能力得以充分发挥是以节点区不出现剪切破坏，支座连接和锚固不出现破坏为前提。

3 砼框架结构延性设计方法

3.1 建立梁式侧移破坏机构来实现框架结构的延性

在砼框架结构非抗震设计中，由于砼框架结构非抗震设计对延性要求不高，是运用弯矩调幅法去实现砼框架结构延性设计。弯矩调幅法是对在弹性分析法中框架承受竖向荷载作用产生的弯矩进行调整, 考虑到框架梁支座截面出现塑性铰, 将框架梁支座截面负弯矩调整降低，再与在弹性分析法中框架承受水平荷载作用产生的内力进行组合，得最不利内力为设计内力的一种考虑塑性内力重分布的计算方法。弯矩调幅法通过降低框架承受竖向荷载作用时框架梁产生的支座截面负弯矩，实现“强节弱杆、强剪弱弯、强压弱拉、强柱弱梁”[2]四强四弱设计原则，满足砼框架结构延性设计条件，使砼框架结构在超载时出现梁端塑性铰实现框架结构延性设计。

在砼框架结构抗震设计中，运用两阶段设计法通过采取抗震措施去实现砼延性框架结构设计。在第一阶段设计中在众值烈度下砼框架结构处于弹性状态时通过抗震措施中内力调整措施的采取来设计延性框架,不同抗震等级框架延性设计要求不同,抗震措施中内力增大系数不同。两阶段设计法通过第一阶段设计中增大不同抗震等级框架在众值烈度下砼框架结构处于弹性状态时砼框架结构构件各控制截面内力,实现“强节弱杆、强剪弱弯、强压弱拉、强柱弱梁”四强四弱设计原则，满足砼框架结构延性设计条件，使其在遭受本地区规定的设防烈度的地震影响时,砼框架结构进入弹塑性状态,梁端形成塑性铰,满足第二水准基本烈度的设防要求,做到中震可修;在遭受高于本地区设防烈度的罕遇地震影响时,满足第三水准——罕遇烈度设计要求(不发生倒塌),砼框架结构在遭受中、大地震影响破坏时形成梁式侧移机构。

3.2 提高构件截面延性,通过增强梁铰机制下塑性铰的转动能力来实现框架结构的延性

在截面设计过程中,应根据结构对截面延性的不同要求采取构造措施增强塑性铰的转动能力。

在砼框架结构非抗震设计中，由于在砼框架结构非抗震设计中对延性设计要求不高，增强结构延性的主要措施有:可选用塑性变形大的钢筋和砼为材料;可限制纵向受拉钢筋配筋率,规定受压钢筋受拉钢筋的比例去控制受压区高度，增强框架梁支座截面塑性铰的转动能力;可在易出现塑性铰的梁端和柱端加密箍筋去增强砼塑性变形能力，在砼框架结构非抗震设计中构造措施的采取应符合砼框架结构非抗震构造要求。

在砼框架结构抗震设计中，由于砼框架结构抗震设计中对不同抗震等级框架延性设计要求不同, 不同抗震等级框架抗震构造措施的采取也不同，增强结构延性的主要措施有:在梁柱端部设置箍筋加密区避免在地震作用下梁柱端部出现剪切破坏，控制柱轴压比避免在地震作用下砼框架柱出现小偏心受压破坏，钢筋的锚固与搭接，对不同抗震等级框架采用不同要求，对不同抗震等级框架抗震构造措施的采取应符合《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)要求。

总之，砼框架结构延性设计是砼框架结构超载时实现延性破坏(受拉破坏)的保证。在砼框架结构非抗震设计中，是运用弯矩调幅法去实现砼延性框架结构设计，使砼框架结构在正常设计、正常施工和正常使用过程中满足承载能力极限状态和正常使用极限状态。即在承载能力极限状态下砼框架结构梁端出现塑性铰且承载能力不降低，在正常使用极限状态下砼框架结构满足设计的变形要求和裂缝宽度要求，在超载作用下，砼框架结构实现延性破坏(受拉破坏)。砼框架结构抗震设计中，是运用两阶段设计法通过采取抗震措施去实现砼框架结构延性设计。在砼框架结构抗震设计二阶段设计方法中,对于第一阶段众值烈度下延性框架设计很重要,众值烈度下砼框架结构处于弹性状态,应通过采取抗震措施，通过增大众值烈度下砼框架结构处于弹性状态时设计内力来设计延性框架，建立梁式侧移机构的砼框架结构抗震机制,使其在遭受本地区规定的设防烈度的地震影响时,砼框架结构进入弹塑性状态,梁端形成塑性铰,满足第二水准的设防要求,做到中震可修;在遭受高于本地区设防烈度的罕遇地震影响时,满足第三水准罕遇烈度设计要求(不发生倒塌),砼框架结构破坏时形成梁式侧移机构，确保砼框架结构遭受中大地震影响破坏时实现延性破坏(受拉破坏)。

参考文献：

[1]张志俊.砼框架结构延性的探讨[J].黄冈职业技术学院学报，2005，(2)：98.

[2]张志俊.论砼框架结构抗震设计[J].黄冈职业技术学院学报，2011，(1)：102.