鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的延性措施摘要：本文總結(jié)了混凝土結(jié)構(gòu)中幾種較為成熟有效的提高構(gòu)件延性的構(gòu)造措施，并對(duì)其設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為設(shè)計(jì)師解決結(jié)構(gòu)中對(duì)延性有特殊要求的構(gòu)件設(shè)計(jì)提供參考。關(guān)鍵字：構(gòu)件延性；構(gòu)造措施1 延性設(shè)計(jì)引論在地震作用的整個(gè)過(guò)程中，構(gòu)件和結(jié)構(gòu)承載力無(wú)明顯降低的非線性反應(yīng)特性即為延性。延性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是利用結(jié)構(gòu)中特定位置形成塑性變形來(lái)耗散地震能量，達(dá)到保護(hù)其它構(gòu)件和結(jié)構(gòu)整體的目的。利用結(jié)構(gòu)的延性進(jìn)行鋼筋混凝土房屋的抗震設(shè)計(jì)是一種經(jīng)濟(jì)合理的方法。我國(guó)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范根據(jù)不同抗震等級(jí)規(guī)定不同抗震措施，抗震等級(jí)的劃分反映了不同延性水平的要求。但實(shí)際工程中，所遇到的問(wèn)題各種各樣，有時(shí)很難使所有構(gòu)件都達(dá)到理想中的延性性能。對(duì)于特殊位置的構(gòu)件，要實(shí)現(xiàn)規(guī)范的相應(yīng)要求，不得不加大構(gòu)件截面、增加配筋及提高承載力。但片面的增大截面可能會(huì)帶來(lái)不利的影響。如柱的軸壓比較大時(shí)，若想使其達(dá)到規(guī)范要求限值，加大截面最為直接，但柱截面加大可能使其在該層內(nèi)形成短柱，又恰恰使其延性降低，諸如此類的問(wèn)題并不少見。影響構(gòu)件延性的因素很多，實(shí)際并非僅僅是規(guī)范所規(guī)定的內(nèi)容，這說(shuō)明可以采取其它的構(gòu)造措施也同樣可以實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的延性要求。本文將常見的幾種延性構(gòu)造措施及相關(guān)的設(shè)計(jì)方法加以搜集匯總，以期借鑒選用。2 構(gòu)件延性構(gòu)造2.1 框架柱的延性構(gòu)造2.1.1減小軸壓比1 3建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定了抗震等級(jí)為一、二、三級(jí)的框架柱的軸壓比限值，對(duì)于框架結(jié)構(gòu)分別為：0.65、0.75、0.85。對(duì)于框剪結(jié)構(gòu)、框筒結(jié)構(gòu)其限值有所不同，主要是考慮了剪力墻在地震作用下分擔(dān)了較多的剪力，使得框架柱的剪應(yīng)力水平得以降低，因此放松了對(duì)于其延性的構(gòu)造要求。當(dāng)然，對(duì)于框支剪力墻結(jié)構(gòu)的框支柱，因其對(duì)于延性的需求更大，所以軸壓比限值又有所降低，體現(xiàn)了對(duì)于框支柱高延性的構(gòu)造要求。因此，為了提高框架柱的延性性能，尤其是首層柱根位置，在條件允許的情況下可以盡量使用強(qiáng)度等級(jí)較高的混凝土材料，也可以在滿足剪跨比大于2的前提下，增加柱截面以減小軸壓比。2.1.2增大體積配箍率考慮到箍筋對(duì)框架柱的約束可以使其延性性能得到提高的影響，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范6.3.6條附注3中規(guī)定了在滿足箍筋直徑、間距的要求下可以提高軸壓比限值，這也是提高柱延性的一種措施。2.1.3加設(shè)芯柱2除此之外，還可以在柱中部設(shè)芯柱，也可以提高軸壓比限值，從而可以起到提高構(gòu)件延性的作用，加設(shè)芯柱的形式可以分以下幾種。圖2.1 一般配筋核心柱1）一般配筋核心柱（圖2.1）。在方形或圓形截面柱內(nèi)配置核心柱，其縱筋不少于原柱截面面積的0.8%。核心柱箍筋可采用普通箍筋或螺旋箍筋，根據(jù)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范第6.3.6附注4要求，滿足上述要求時(shí)，復(fù)合柱的軸壓比限值加0.05。復(fù)合柱的受壓、受剪承載力可考慮核心柱的貢獻(xiàn)，復(fù)合柱按整體截面考慮抗彎作用，芯柱不考慮抗彎作用。2）矩形截面復(fù)合柱可采用重疊螺旋箍配筋的核心柱（圖2.2）。核心柱參與軸心受壓和受剪作用，但不考慮受彎作用。復(fù)合柱按整體截面及核心柱以外配筋進(jìn)行受彎承載力計(jì)算。圖2.2 重疊螺旋箍核心柱對(duì)于圖2.2所示的重疊螺旋箍配筋的核心柱塑性鉸區(qū)螺旋箍筋受剪承載力Vs可按下式計(jì)算：Asp螺旋箍筋截面面積；fyh螺旋箍筋屈服強(qiáng)度；D-箍筋內(nèi)直徑；s-筋旋距；d-螺旋箍的中心距；此式不適用于弱重疊（d1.2r）及小剪跨比的核心柱。復(fù)合柱的抗剪承載力包括核心柱和核心柱以外的柱截面抗承載力。3）無(wú)間隙螺旋箍（簡(jiǎn)稱NCS）核心單元柱。無(wú)間隙螺旋箍填充混凝土作為核心單元柱可以很大程度提高柱的抗壓承載能力和延性，對(duì)抗剪承載力也有一定的貢獻(xiàn)，但對(duì)抗彎、抗拉不起作用。NSC的核心混凝土有很高的抗壓強(qiáng)度和變形能力，在高壓應(yīng)力作用下，NSC混凝土壓應(yīng)變可達(dá)6%。NSC對(duì)提高框架柱底部塑性鉸抗震性能十分有利，且不會(huì)引起柱鉸向上轉(zhuǎn)移（圖2.3）。 圖2.3 NSC單元加強(qiáng)柱試驗(yàn)說(shuō)明壓彎破壞型的柱（D/ h05，h0為柱截面有效高度；D為柱高度）用NSC加強(qiáng)可以使柱的極限側(cè)移角提高一倍，同時(shí)可以降低軸向壓縮變形。在高軸壓比（=0.8）及側(cè)向力作用下，表現(xiàn)良好的延性，對(duì)小剪跨（h0/D=2.2），則設(shè)NSC與不設(shè)的變形能力差別不大。NSC單元用于框支柱兩端和短肢墻的預(yù)期塑性鉸部位，可以達(dá)到改善抗震性能的作用。2.1.4鋼管混凝土疊合柱由柱截面中部鋼管混凝土和鋼管外鋼筋混凝土疊合而成的柱稱為鋼管混凝土疊合柱5。疊合柱的優(yōu)點(diǎn)是核心柱采用高強(qiáng)材料可提高柱的受壓受剪承載力，從而減小柱截面。核心柱先期施工，外圍柱后期施工，由于先期施工的核心柱承擔(dān)了大部分豎向荷載，使得后期施工的外圍柱混凝土初始?jí)簯?yīng)力較小，便具有了良好的延性性能。疊合柱的設(shè)計(jì)可參照鋼管混凝土疊合柱技術(shù)規(guī)程CECS188:2005。2.1.5分體柱2在鋼筋混凝土框架中，將短柱設(shè)計(jì)成分體柱后，可以改變短柱的破壞形態(tài)變短柱為“長(zhǎng)柱”，使短柱的破壞形式由剪切型轉(zhuǎn)化為彎曲型，而且由于隔板的約束作用，分體柱在較高軸壓比作用下，可以發(fā)生延性較好的大偏心受壓破壞。因此應(yīng)用分體柱能夠很好地實(shí)現(xiàn)短柱變“長(zhǎng)柱”的設(shè)計(jì)意圖，有效的短柱的抗震性能，使其具有很好的延性（圖2.4）。圖2.4 分體柱的截面形式分體柱適用于設(shè)防烈度為79度的框架、框剪以及框支結(jié)構(gòu)中剪跨比1.5的短柱。分體柱的各單元柱可以是方形也可以是矩形截面；單元柱的邊長(zhǎng)不宜小于300mm，單元柱截面的高寬比不宜大于1.5，每個(gè)方向只能分為兩個(gè)單元柱；分縫寬度為1020mm，隔板宜采用竹膠板；分體柱上下端均應(yīng)留有不小于100mm的全截面過(guò)渡區(qū)。2.2 框架梁的塑性鉸轉(zhuǎn)移構(gòu)造按照延性設(shè)計(jì)的思路，框架結(jié)構(gòu)及框剪結(jié)構(gòu)遭受地震作用時(shí)，框架梁作為耗能構(gòu)件首先屈服，實(shí)現(xiàn)對(duì)地震能量的耗散，起到推遲結(jié)構(gòu)整體破壞的作用。按照一般的框架梁構(gòu)造要求，當(dāng)梁進(jìn)入屈服階段時(shí)，首先在梁與柱交接處出現(xiàn)較寬的裂縫，在反復(fù)荷載作用下梁塑性鉸將在接近柱面處形成。這對(duì)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的約束以及梁筋的錨固都是極為不利的，梁縱筋在節(jié)點(diǎn)內(nèi)的滑移會(huì)降低梁端塑性鉸的耗能能力，因此如將梁的塑性鉸轉(zhuǎn)移離開柱面，使節(jié)點(diǎn)區(qū)始終處于彈性狀態(tài)則將大幅度提高框架的抗震能力。因此提出了一種將梁塑性鉸轉(zhuǎn)移的措施2 7（圖2.5）。該方法是將柱表面位置處的潛在塑性鉸位置重新放置，可采用圖2.5中a、b兩種方式得以實(shí)現(xiàn)，通過(guò)將梁鋼筋切斷或彎折，使柱子表面1-1處梁的鋼筋應(yīng)力不超過(guò)屈服應(yīng)力，而在塑性鉸臨界截面2-2以外，鋼筋應(yīng)力超過(guò)屈服應(yīng)力，以實(shí)現(xiàn)塑性鉸外移。該構(gòu)造的優(yōu)點(diǎn)和作用主要有：a 梁端塑性鉸轉(zhuǎn)移配筋構(gòu)造一b 梁端塑性鉸轉(zhuǎn)移配筋構(gòu)造二圖2.5 轉(zhuǎn)移梁端塑性鉸構(gòu)造1）防止梁筋在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)滑移，改善節(jié)點(diǎn)在反復(fù)荷載作用下的剛度退化；2）保證正交梁對(duì)框架節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的約束作用，從而提高節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的受剪承載力，減少節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的配箍量；3）轉(zhuǎn)移梁塑性鉸，距柱面的距離要適當(dāng)，太近不解決問(wèn)題，太遠(yuǎn)則難以形成塑性鉸且轉(zhuǎn)動(dòng)量太大，難以保證延性要求。2.3 其它改善構(gòu)件延性的方法2.3.1人工開縫法用人工開縫的方式改善梁、柱、墻的延性。1）短梁。剪力墻或框筒結(jié)構(gòu)的連梁等，利用開縫將短梁變成長(zhǎng)梁，目前的計(jì)算程序中均可以實(shí)現(xiàn)此種構(gòu)件的模擬分析。2）短柱2。利用開豎縫的方式將短柱變成受彎型的長(zhǎng)柱，詳細(xì)構(gòu)造及分析方法見上節(jié)分體柱的相關(guān)內(nèi)容。3）剪力墻。利用開洞可將寬肢墻變成雙肢或多肢墻，之間用連梁連接，提高耗能能力及延性，在目前的結(jié)構(gòu)分析軟件中基本均可以得到較準(zhǔn)確地模擬分析；其次為在墻上開豎縫構(gòu)造2，在側(cè)移較小的情況下開縫墻具有較大的剛度，在側(cè)移較大的情況下具有較好的延性（圖2.6）。對(duì)于延性要求較高的部位或工程還可以在豎縫中設(shè)置耗能阻尼器以提高結(jié)構(gòu)的耗能能力。進(jìn)行整體分析時(shí)，可以通過(guò)對(duì)墻體剛度折減進(jìn)行模擬，設(shè)置阻尼系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尚應(yīng)根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料進(jìn)行詳細(xì)分析。圖2.6 帶豎縫剪力墻參考相關(guān)文獻(xiàn)資料，開豎縫墻的初始剛度約等于整體墻的四分之一，整體分析時(shí)層間剪力按其剛度分配。確定出設(shè)計(jì)剪力后，再根據(jù)剪力確定開縫率和配筋量，并應(yīng)要求開縫墻的抗彎承載力低于其抗剪承載力。設(shè)計(jì)方法可參見文獻(xiàn)6。2.3.2 設(shè)置交叉斜筋法（1）交叉斜筋用于剪力墻的深連梁及框筒結(jié)構(gòu)的短梁等，可以提高抗剪承載力及變形能力4?；炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)設(shè)置交叉斜筋或斜撐的混凝土連梁，截面條件由式2.1放寬至式2.2；構(gòu)造要求和計(jì)算方法詳見該規(guī)范11.7.10條相關(guān)規(guī)定4。 （2.1）（2.2）（2）短柱2。在低軸壓比情況下配置交叉斜筋的短柱可以提高抗剪承載力及延性。在高軸壓比（N/bhfc0.4）時(shí)，除設(shè)置交叉斜筋外尚應(yīng)配置足夠的箍筋來(lái)保證混凝土的良好約束，約束箍筋的最低配箍率可按式2.3計(jì)算：圖2.7 短柱（2.3）（3）梁柱節(jié)點(diǎn)剪力由斜筋承擔(dān)，箍筋配筋率0.3%。 (2.4)圖2.8 節(jié)點(diǎn)配置斜筋 圖2.9 墻根部配斜筋（4）剪力墻根部4 7在剪力墻根部配置交叉斜筋可以控制剪力墻剪切滑移。當(dāng)軸向壓應(yīng)力0.2fc時(shí)，配置斜筋承擔(dān)根部部分剪力?；炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范要求抗震等級(jí)為一級(jí)的剪力墻需驗(yàn)算施工縫處抗滑移，滿足式2.5的要求：（2.5）當(dāng)?shù)撞拷孛娌粷M足上式時(shí)，可設(shè)置防滑交叉斜筋。新西蘭Canterbury大學(xué)的試驗(yàn)表明，采用交叉，斜筋承受部分剪力，可以很大程度的改善變形能力，推遲剛度的受剪承載力的退化7。參照歐洲規(guī)范及研究成果，每對(duì)交叉斜筋承擔(dān)的剪力Vd按式2.6計(jì)算，抗滑移鋼筋承擔(dān)的剪力系數(shù)，在7、8度時(shí)取0.3，9度時(shí)取0.5。 （2.6）抗滑移交叉筋的承載力按下式計(jì)算： （2.7）式中：Asd單根斜筋的截面面積；Fyd斜筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；3 結(jié)語(yǔ)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在目前依然是建筑結(jié)構(gòu)的主要形式，尤其是在抗震設(shè)防地區(qū)，其安全性和可靠性除了對(duì)于生命安全有著巨大的影響外，對(duì)震后經(jīng)濟(jì)損失的影響也越來(lái)越大。隨著基于性能的抗震設(shè)計(jì)思想和方法被廣大設(shè)計(jì)師所接收和采用，對(duì)于混凝土構(gòu)件的延性性能的要求也逐漸明晰。本文在收集歸納的基礎(chǔ)上對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的框架梁、柱的延性構(gòu)造和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了介紹。結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中對(duì)于延性需求較大的構(gòu)件和延性性能較差的構(gòu)件，需要采取特殊的構(gòu)造措施加以改善，以提高其抗震性能，保證結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)明顯的薄弱部位。參考文獻(xiàn)1 GB50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范S.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.2 胡慶昌，孫金樨，鄭琪 建筑結(jié)構(gòu)抗震減震與連續(xù)倒塌控制.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，20073 JGJ3-2010