延性

钢筋混凝土结构延性的分析

张一

（山东科技大学，山东青岛 266590）

摘要：结构的延性反映了其塑性变形和消耗地震能的能力，在地震作用下，结构的延性和强度具有同等重要的意义。确保结构有足够的延性是提高建筑抗震性能的重要举措。从定义、计算、影响因素、保证措施等几个方面论述了钢筋混凝土结构的延性，以期在钢筋混凝土结构的抗震设计中提供理论依据。

关键词：延性；钢筋混凝土结构；变形；抗震

引言

建筑物的抗震能力和安全性，不仅取决与构件的静承载力，还在很大程度上取决于其变形性能和动力响应，以及结构吸收和耗散能量的多少，也就是说结构的抗震能力是由承载能力和变形能力两者共同决定的，承载能力较低但具有很大延性的结构，所能吸收的能量多，虽然较早出现损坏，但能经受住较大变形，避免倒塌，而仅有较高强度，却无塑性变形能力的脆性结构，吸收的能量少，一旦遇到超过设计水平的地震作用时，很容易因为脆性破坏而突然倒塌，带来巨大的生命财产损失。因此，地震多发区的建筑物应优先考虑设计成抗震性能好的延性结构。

1 定义

结构的延性是指结构的承载能力无明显降低，发生非弹性变形的能力[2]。结构的延性反映了结构的变形能力，是防止结构在地震作用下倒塌的关键因素之一。对于受弯构件来说，随着荷载增加，受拉区混凝土出现裂缝，表现出非弹性变形。然后受拉钢筋屈服，受压区混凝土压碎，构件宣告破坏。从受拉钢筋屈服到构件破坏这一过程中，构件的承载力没有发生多大的变化，但其变形能力决定了破坏的性质。如果这种后期非弹性变形能力很大，延性就越好，其破坏成为延性破坏；反之，延性就差，成为脆性破坏[3]。图1显示了钢筋混凝土受弯构件在两种破坏形式下的荷载-挠度曲线。

图1 受弯构件的荷载-挠度曲线

Fig.1 Load-deflection curve of flexural member

对于钢筋混凝土结构而言，延性概念的理解可分为三个层次：首先为截面的延性，其大小取决于破坏的形式（剪切破坏还是弯曲破坏），弯曲破坏时截面的延性取决于受压区高度的大小，受压区高度越小截面的转动就越大、截面的延性就越好；其次为构件的延性，其大小取决于构件的约束条件、塑性铰的出现次序和截面的延性；最后是结构的延性，其大小取决于构件的延性和构件的强度对比。

延性的大小一般通过延性系数来度量。延性系数分为曲率延性系数、位移延性系数和转角延性系数。截面的延性通常用曲率延性系数μφ=φu/φy来表示，φu为极限状态下的曲率，φy为屈服状态下的曲率；结构或构件的延性系数通常用位移延性系数μΔ=Δu/Δy和转角延性系数μθ=θu/θy来表示，Δu为极限状态下的位移，Δy为屈服状态下的位移，θu为极限状态下的转角，θy为屈服状态下的转角。一般认为，钢筋混凝土结构要满足抗震要求，其延性系数要在3到4之间。

2 影响因素

（a）屈服时（b）极限破坏时

图2 受弯的双筋梁截面

Fig.2 Doubly reinforced beam section with flexure

根据曲率的计算公式φy =εs/(d-kd)和φu =εc/c，分析可知：

(1)受拉钢筋含量的增加降低了延性。因为此时受拉钢筋屈服时的受压区高度kd和构件破坏时的受压区高度c都增大了，所以φy增大，φu减小，从而，μφ=φu/φy减小，延性降低。

(2)受压钢筋含量的增加提高了延性。因为此时受拉钢筋屈服时的受压区高度kd和构件破坏时的受压区高度c都减小了，所以φy减小，φu增大，从而，μφ=φu/φy减小，延性提高。

(3)提高受拉钢筋的屈服强度降低了延性。因为此时受拉钢筋屈服时的受压区高度kd和构件破坏时的受压区高度c都增大了，所以φy增大，φu减小，从而，μφ=φu/φy减小，延性降低。

(4)提高混凝土的抗压强度提高了延性。因为此时受拉钢筋屈服时的受压区高度kd和构件破坏时的受压区高度c都减小了，所以φy减小，φu增大，从而，μφ=φu/φy减小，延性提高。

(5)预应力的存在降低了构件的延性。对构件施加预应力的目的是为了控制其变形（挠度和裂缝），就受弯构件而言，预应力对承载力影响不大，却延长了未裂阶段，缩短了带裂缝工作阶段，大大地降低了构件破坏时的非弹性变形能力，即延性。

(6)轴压比越大，延性越差。对构件施加轴力与受到预应力的作用一样，轴力的存在降低了其变形能力。因此，对于有轴力的受弯构件和柱，降低轴压比，可以提高其延性。

(7)采用约束箍筋或钢管混凝土，可以大大地提高结构的延性。箍筋或钢管对混凝土产生侧向约束，增大了结构的变形能力，提高了延性。

3 保证措施

前面简要地说明了延性的定义，分析了影响延性的因素，便于进一步提出保证延性的措施。实际上，地震作用是一种低周期的交变循环荷载，它作用于结构上反应的变形特性（恢

复力特性曲线）与单调一次加载时的曲线是不同的，因此抗震结构的延性计算十分复杂。实际工程设计时，通常对结构（或构件）的延性不作具体计算，只通过构造措施保证结构（或构件）有足够的延性。

（1）对于砌体结构房屋，通过设置构造柱与圈梁，对墙体起到约束作用。受到较大的地震作用时，有较好的变形能力，即增强了整个结构的延性。这是一种十分有效的抗倒塌措施。为了充分发挥构造柱和圈梁的这种作用，应该严格按照规范要求设置构造柱与圈梁。

（2）对于框架结构，首先应该明确，抗震设计并不要求任何截面的受弯承载力越高越好，应该是允许框架梁端先出现塑性铰，推迟或避免在柱中出现塑性铰，满足“强柱弱梁”的要求。同时，在梁端塑性铰转动过程中，梁和柱的受剪承载力要求大于受弯承载力，满足“强剪弱弯”的要求。满足这些条件后，由此形成的梁铰型延性框架，在强烈的地震作用下，将具有较大的变形能力，并且能通过结构变形来吸收和耗散地震能量。为了避免框架底层柱根部过早出现塑性铰，影响整体框架延性及耗能能力，规范规定，应当加强梁底层柱的抗弯能力，限制轴压比，柱端加密钢筋，规定纵向钢筋的最大配筋率，都是为了保证框架柱具有足够的延性。为了保证框架梁有足够的延性，规范规定，梁的截面宽度不宜太小，限制了纵向受拉钢筋的配筋量。规定了受压钢筋面积和受拉钢筋面积的比值，梁端加密箍筋的要求，纵筋的锚固等。框架节点的延性也至关重要,要满足“强节点，弱构件”的要求。框架节点受力复杂，规范规定了节点核心区箍筋的最大间距和最小直径及体积配箍率，并规定了梁柱纵向钢筋均不在节点中切断或搭接。

只要满足规范规定的上述构造措施，就能保证结构具有足够的延性，具有抵抗地震作用的能力。

4 结语

延性设计在结构的抗震设计中是十分重要的，采取合理的构造措施，就可以保证结构的整体性，增强抗震结构的延性性能，从而提高结构的变形能力，保证整个建筑物实现抗震设防。

参考文献：

[1]丁晓玲,祝英杰,尤为.钢筋混凝土结构的延性[J].青岛理工大学学报,2009

[2]GB 50011-2010 建筑抗震设计规范[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2010

[3]GB 50010-2010 混凝土结构设计规范[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2010

[4]罗瑞琦.结构延性与抗震设计[J].山西煤炭管理学院学报,2002