结构延性与抗震设计

结构延性与抗震设计
地震是人类面临的严重自然灾害之一，常常会造成人身和财产的巨大损失，如：我国的汶川
大地震造成直接经济损失人民币8451亿元，间接损失超过2500亿元。

我国属地震多发国家，需要考虑抗震设防的地域辽阔，因此研究结构的抗震性能在我国具有充分的必要性。

要想更
好的执行规范就必须明确抗震规范制定的基本思想，明确抗震设计的基本原则。

下面着重从
以下几个方面做以阐述。

1 在抗震中结构延性的作用
我国抗震设计的基本原则是“小震不坏，中震可修，大震不倒”。

“小震不坏”是指要求结构不
受损伤或不需修理仍可继续使用。

“中震可修”是指结构可以有一定程度的损坏，经修复或不
经修复仍可继续使用。

“大震不倒”是指结构遭遇“大震”作用时，不应倒塌或发生危及生命的
严重破坏。

因为地震的发生太偶然，倘使我们一味地追求结构的强度以保证中震甚至是大震
作用下结构不坏，这将会使极大量的材料在绝大部分时间里，甚至在整个寿命期内都处于不
能充分发挥作用的状态，这样做是不明智的。

所以我国的抗震设计原则是非常经济和合理的。

在上述设计原则指导下，这就要求结构应具有一定的延性：
（1）当小震来临时，应确保所有的结构构件在抵抗地震作用力时，具有足够的强度，使其
基本上处于弹性状态。

并通过验算小震作用下的弹性位移共同来保证结构不坏。

处于这个阶
段的结构构件不会发生明显的非线性变形，也不必需要采取特殊的构造措施。

（2）当中震来临时，因为结构具有非弹性特征，某些关键部位超过其弹性强度，进入塑性
状态。

由于它有一定的延性，延性指当地震迫使结构发生较大的非线性变形时，结构仍能维
持其初始强度的能力，是结构超过弹性阶段的变形能力，它是结构抗震能力强弱的标志。

它
能够承担塑性变形，使它在变形中能够耗费和吸收地震能量，代价是可能导致较宽的裂缝，
砼表皮起壳、脱落，可能有一定的残余变形，但不至于导致安全失效，以达到中震可修的设
防目标。

处于这个阶段的结构，对延性就会提出相应的要求，而延性就要靠精心设计的细部
构造措施来保证。

（3）当大震来临时，结构的非线性变形非常大，也可能发生不可修复的破坏。

处于这个阶
段的结构就需要通过计算它的弹塑性变形来保证结构不致倒塌。

所以，通常只需要按小震作用效应和其它荷载效应的基本组合，验算构件截面抗震承载力及
结构的弹性变形；而中震作用效应则需要结构靠一定的塑性变形能力（即延性）来抵抗。

2 地震力降低系数决定延性大小
由上所述，用于承载力设计的地震作用可以取到小震水平，当更大的地震来临的时，则靠结
构的延性去抵抗。

因此，并不取用设防烈度地震作用力来进行结构承载力设计，而把设防烈
度地震力降低一个系数，称为地震力降低系数。

地震力降低系数取得越大，设计地震作用就取得越小；反之越大。

在同一个设防烈度下，地
震力降低系数取得越大，地震作用就越小，那么按此小的地震作用设计出来的结构的屈服水
准就越低，意味着结构在相应强烈程度地震下形成的非弹性变形就越大，这就要求结构具有
较大的延性来保证它较大的非弹性变形的实现，因而对延性提出的要求就更高。

这一延性等
级的结构即为较低设计地震力取值较高延性要求的“高延性等级”结构。

地震力降低系数取得
越小，地震作用就越大，那么按此大的地震作用设计出来的结构的屈服水准就越高，意味着
结构在相应强烈程度地震下形成的非弹性变形就越小，这就只需要要求结构具有较小的延性
来保证它较小的非弹性变形的实现，因而对延性提出的要求就越低。

这一延性等级的结构即
为较高设计地震力取值较低延性要求的“低延性等级”结构。

同理，在同一个设防烈度下，地震力降低系数取为中等，地震作用也为中等，因而对延性提
出的要求也为中等。

这一延性等级的结构即为中等设计地震力取值中等延性要求的“中等延性等级”结构。

这样，地震力降低系数的大小实际上就决定了设计地震力取值的大小，从而决定了对延性要求的大小。

我国规范规定把设防烈度地震作用降低约3 倍来进行承载力设计，即设防烈度地震作用反应
谱除以地震承载力降低系数3，而得到设计所用的反应谱。

并且我国规范按设防烈度从大到
小对结构延性提出了从高到低的要求，具体是用抗震等级来表示，共分为一级、二级、三级、四级四个等级。

初步感觉我国的地震力降低系数的取值偏低，这似乎说明中国的地震力取值较高，因而并不
需要对结构提出高延性要求。

其实不然，在对比了我国和西方国家的设防地震作用反应谱曲
线之后，我们发现，在中长周期范围内，西方要比我国高，也就是说，我国在较低的反应谱
水平下降低3倍，跟西方在较高的反应谱水平下降低5倍，甚至更多之后的作用水平是相差
不多的，这就说明，我国对抗震结构应提出相当于西方地震力降低系数等于5，甚至高一档
次的高延性要求。

3 用“能力设计法”保证钢筋砼结构的延性
为了使钢筋砼结构在地震引起的动力反应过程中表现出必要的延性，就必须通过能力设计法，使塑性变形更多地集中在比较容易保证良好延性性能或者具有一定延性能力的构件上。

能力
设计法的具体思路有三步：
（1）第一步是选择一个可接受的塑性变形机构。

所选机构的位移延性应该靠塑性铰处最小
非线性转动来达到。

一旦选定了合适的塑性变形机构，就可以精确地确定能量耗散部位。

能
力设计法在选择塑性变形机构的选择上，应按我国规范选择“梁柱铰机构”，即是我们通常所
说的“强柱弱梁”。

实际上是提高了柱的塑性变形能力，在实际配筋当中，纵筋用量相对较少，箍筋用量相对较多。

“梁柱铰机构”的具体措施是只在一定程度上人为增大柱的抗弯能力，因此，从总体上说，柱
端虽然与梁端相比相对较强，但在较强和很强地震作用下，柱端仍有可能进入屈服，只不过
梁端出现塑性铰的机会较多、较早，塑性转动较大；柱端塑性铰则出现相对较迟，塑性转动
相对较小。

只要对柱的轴压比控制较严，使柱端不出现小偏心受压和离大、小偏压分界状态
过近的大偏心受压情况，再通过加强对柱端塑性铰区的约束，就可以使柱端具有所需的、不
十分苛刻的塑性转动能力（延性能力）且不致压溃。

这种机构主要靠梁柱共同出铰来耗散地
震能量。

为了实现能力设计方法中的强柱弱梁机构，通常的做法是对柱截面的组合弯矩乘以增大系数；也可以对由梁端实际配筋反算出梁端可抵抗弯矩，即实配弯矩乘以增大系数的方法来实现，
并用增大后的弯矩值进行柱端控制截面的承载力设计。

（2）第二步是要通过人为增大各类构件的抗剪能力，使其不致在强烈地震作用下，在结构
延性未发挥出来之前出现非延性的剪切破坏。

这即是通常所说的“强剪弱弯”。

通常的做法是
用剪力增大系数增大梁端、柱端、剪力墙端、剪力墙洞口连梁端以及梁柱节点处的组合剪力值，并用增大后的剪力设计值进行受剪控制截面控制条件，进行验算和设计。

具体措施也有
两类。

一类是直接对一跨梁两端截面的顺时针或反时针方向的组合弯矩值乘以增大系数，再与梁上
作用的竖向重力荷载代表值一起从平衡关系中求得梁端剪力。

另一类是沿顺时针或反时针方向求得一跨梁两端截面按实际配筋能够抵抗的弯矩，对其乘以
增大系数，再与梁上作用的竖向重力荷载代表值一起从平衡关系中求得梁端剪力。

（3）第三步是通过相应的构造措施，保证可能出现塑性铰的部位具有所需的塑性转动能力和塑性耗能能力。

通常通过箍筋加密，限制轴压比等措施来给予保证。

上述三个步骤所采取的措施是相互关联的。

第二步措施是第一步措施实现的前提和保障；因为只有塑性铰区不致先期发生剪切失效，才能够有梁柱塑性铰区的塑性转动。

第一步措施要求较严，则第三步则可相对较弱。

反之，第一步的措施较松，则对第三步的要求就较严格。

因为如果柱弯矩增强系数很大，大到能保证除底层以外的其它柱端都不出现塑性铰，则并不需要对轴压比和约束箍筋提出严格的限制，即并不需要使柱处于延性较好的大偏压状态和使柱具有很强的转动能力。

这即是形成梁铰机构。

而如果控制柱的弯矩增强系数，使梁端出铰柱端出铰较早、较多、转动较大，柱端出铰则相对较迟、较少、转动较小。

这即是“梁柱铰机构”。

此时，就需要对柱轴压比提出一定的限制，使柱端的受力状态处于大偏压，同时，加强对塑性铰区箍筋的约束，以提高塑性铰的转动能力，这样就提高了柱端的延性能力，使之在所需要的塑性转动下不至于被压坏。

所以，柱的弯矩增大系数越大，对轴压比的限制和箍筋的约束要求就越低；弯矩增大系数越小，对轴压比的限制和箍筋的约束要求就越高。

参考文献
[1]GB50011-2001，建筑抗震设计规范[S].
[2]张汉俊.关于框架梁正载面的抗震延性设计与分析[Z].。