钢筋混凝土框架结构的延性问题及其提高措施研究

钢筋混凝土框架结构的延性问题及其提高措施研究

【摘要】钢筋混凝土框架结构的延性是指结构从屈服开始至达最大承载能力或达到以后，其承载力还没有显著下降期间其所能承受塑性变形的能力。延性是保证结构整体承载力和充分发挥结构的冗余潜力的重要条件，是阻止结构发生连续倒塌的重要能力特征。合理的抗连续倒塌设计，可以通过较大的变形来吸收和耗散初始破坏释放的能量，另外较大的塑性变形可以更好的实现内力重分布，充分发挥结构内部冗余潜力，使结构拥有足够的延性。

【关键词】钢混结构；结构延性；空间刚度；塑性变形；能量耗散；内力重分布；概念设计

0 引言

延性是概念设计中的一个重要部分，它对结构的内力重分布和耗能能力起着举足轻重的作用。适当的延性是保证钢筋混凝土框架结构整体承载力和充分发挥结构冗余潜力的重要条件，是阻止钢筋混凝土框架结构发生连续倒塌的重要能力特征。

1 框架结构的延性问题

梁构件倒塌发展过程后期存在三种机制：梁机制、悬链线机制及复合机制。其受力阶段为：第一阶段，梁端截面钢筋屈服，进入塑性铰发展阶段，当结构设计有较好的延性时，将通过内力重分布，使结构的其余梁截面也进入塑性铰，此时我们假定结构的各个截面同时屈服，同时进入塑性铰，各个截面所承担的弯矩为Mp，依靠梁机制来承担上部的荷载；第二阶段，如果上部荷载比梁机制所能承受的荷载还要大，则结构进入梁机制和悬链线机制共同承担上部荷载的阶段，此时竖向位移增大，梁机制承载力不变，悬链线机制承载力增大，直到梁截面转角达到其极限转动能力；第三阶段梁端受压区混凝土开始压碎，梁端承载力下降，梁端受压区钢筋压应力减小，但悬链线机制承载力继续增大，梁端受拉区钢筋应力增大；第四阶段梁端受压区钢筋也受拉，结构完全依靠悬链线机制承担上部荷载。

塑性铰出现的位置或其出现的顺序不同，将导致其框架结构产生不同的破坏形式。当塑性铰首先出现在柱中，当某薄弱层柱的上下端均出现塑性铰时，该层就为几何可不体系，进而引起上部结构的倒塌。此结构破坏只跟最薄弱层柱的强度和延性性能有关，而与其它各层梁柱的承载能力和耗能能力均没有发挥作用；当塑性铰首先出现在梁中，部分梁端甚至全部梁端均出现塑性铰时，结构仍能继续承受外荷载，而只有当柱子也出现塑性铰时，结构此破坏。由两种塑性铰出现的部位情况可知，柱中出现塑性铰，不易修复而且容易引起结构倒塌；塑性铰出现在梁端，可以使结构在破坏前有较大的变形。而梁的延性远远大于柱的延性，由于柱为压弯构件，较大的轴压比将使柱的延性下降，而梁是受弯构件，比较容易实现高延性要求。则在较合理的框架破坏机制应是梁比柱的塑性屈服尽可能早

发生和多发生，柱的塑性铰晚形成，各层柱子屈服顺序错幵，尽量不要集中于在某一层。这种破坏机制为我们常说的“强柱弱梁”。延性设计应遵循：

1）控制轴压比；

2）框架梁强剪弱弯；

3）梁底、梁顶钢筋贯通，提高悬链线抗力；

4）梁端箍筋加密，提高梁端转动能力；

5）加强节点锚固，悬链线机制的保证；

6）采用延性好的钢筋；

7）结构体系避免单跨框架结构体系。

上述这些要求基本也是抗震设计中的要求，这也正从另一侧面说明了抗震设计对抗连续倒塌的有益作用。尽管抗连续倒塌的延性要求不同于抗震的延性要求，但两者在提高延性的措施方面却有很多相似之处。

2 提高延性的措施

2.1 选择延性材料

结构延性的与不同的材料选择有关，材料不同其结构的延性也会不同。由于砖石砌体的延性很差，对抗连续倒塌要求较高的建筑应尽量避免使用该材料；钢材的延性较好，其变形能力和耗能功能都较强，但由于爆炸等原因引发的建筑破坏常常伴随着火灾，在高温下钢材的极限承载力将大幅下降，故当建筑采用钢结构时应做好防火处理；钢筋馄凝土结构延性性能介于二者之间。在钢筋混凝土结构中，其主要考察混凝土材料品质和力学性质、受拉受压钢筋的品种和力学性质、横向钢筋和钢箍的力学性质、钢筋和混凝土的粘结作用。其中混凝土极限压应变、混凝土强度等级、钢筋的屈服强度、拉伸率等都将影响结构梁机制和悬链线机制的最大变形和承载力，因此在保证结构强度的前提下，应尽量采用具有较好延性的材料。

2.2 采用合理的结构布置

建筑设计宜使结构平面形状简单、规则，刚度和承载力分布均匀。不规则的平面布置在偶然荷载作用下其耗能能力较差。当对建筑物的抗连续倒塌能力要求较高时，对结构设计应尽量避免平面布置上出现凹角，结构竖向体型宜规则、均匀，避免有过大的外挑和内收。结构竖向刚度应连续，均匀变化，避免薄弱层的形成，以免局部构件失效后，导致变形集中或者至上而下的传力途径中断。另外，在满足建筑功能需求的前提下，应该尽量地减小柱距和梁跨，降低层高可以避免

柱子因侧向支撑丧失时计算长度突然增加，导致屈曲失稳。

2.3 采用合理的结构体系

从结构整体来看，结构的超静定次数越多，结构所能形成的塑性铰位置越多，形成的备用传力途径越丰富，避免了应力集中，结构所表现出的延性越好，因此超静定结构体系也是提高结构抗连续倒塌性能的一个基本要求。简单地增加构件数目并不能有效地提高结构的超静定性，而应通过采用连续梁体系、增加重力荷载承重构件、减少大开间和转换结构使用、采用双向相交梁替换单向梁、楼板双向设计、增加支撑等手段来有效地提高结构的超静定性能。

框支结构及各类转换结构、大跨度单向结构等缺少足够的传力途径导致结构延性较差；板柱结构在板柱节点处宜受弯剪破坏；装配式结构连接部位容易失效，因此这几种结构体系均不宜用于抗连续倒塌要求高的建筑。剪力墙结构、筒中筒结构及框剪结构（剪力墙较多）则具有良好的延性表现，其抗连续倒塌性能也较高。

2.4 构件及连接设计

为了提高延性，与抗震设计类似，构件及连接的设计应采用梁绞机制优于柱铰机制、弯曲（压弯）破坏优于剪切破坏、大偏压破坏优于小偏压破坏、不允许核芯区破坏以及纵筋在核心区的锚固破坏的原则。建议参考现有设计规范对三级抗震框架的要求：梁构件强调控制截面尺寸和相对受压区高度、减小受拉钢筋配筋率、提高受压区配筋率、加大梁端箍筋加密区要求、规定箍筋的直径间距等；柱构件则强调控制截面尺寸和最小纵筋配筋率、限定轴压比、保证箍筋配箍量、避免短柱和超短柱的出现等；梁柱节点核芯区应配置足够箍筋、加强纵筋锚同、保证施工过程中的混凝土强度和密实性。

考虑到承重构件破坏后，靠近失效构件的梁端弯矩变号，梁底部若无足够的受拉钢筋承受正弯矩的作用，则易产生较大位移或脆性破坏，无法形成梁悬链机制，所以要求梁底筋应通长布置，节点处保证可靠锚固。同样为了发挥楼扳的拉薄膜作用，要求楼板配置足够的通长钢筋，接头处采用焊接，支座处有良好锚固。而由于在冲击荷载作用下，楼板的受力方向和正常使用条件下的受力可能不同，当部分构件失效后，楼板的主传力方向也可能变化，因而要求楼板采用双层双向配筋。

3 结束语

总之，要使结构在抗连续倒塌方面具备一定的延性，主要可以通过纵筋、箍筋、混凝土的材料特性和几何参数以及一些构造要求来达到。

【参考文献】

[1]马芹永.混凝土结构基本原理[M].机械工业出版社，2005.