框架結構的抗震效能

鋼筋混凝土框架結構經過合理設計具有良好的抗震效能，主要靠延性來抵抗較大地震作用下的非彈性變形。本文分析了結構延性在抗震設計中的重要性及其作用，影響結構延性的主要因素以及結構延性的抗震設計。

地震災害具有突發性，至今可預見性仍然很低，它給人類社會的物質、精神財富造成巨大損失，是各類自然災害中最嚴重的災害之一。眾所周知的“5。12四川汶川8。0級特大地震”，雖已過去幾年了，但聽起來我們仍心有餘悸。從那一幕幕慘痛中走出來，陰霾仍籠罩著我們，激勵我們從自身查詢原因，除了提高我們的防震逃生意識，離我們最近的就是建築物的抗震設計了，它包括結構形式、抗震效能、安全可靠度、施工質量等等一系列原因。作為結構設計人員， 我們應該嚴格執行國家抗震設計標準規範，從抗震措施入手，全面提高建築抗震水平。根據我國現有的科學水平和經濟條件，對抗震提出了 “小震不壞，中震可修，大震不倒”的基本要求，我們要把這些要求融入設計，真正達到“三個水準”的設防目標。

一、結構在地震下的主要特點

地震以波的形式從震源向周圍快速傳播，透過岩土和地基，使建築物的基礎和上部結構產生不規則的往復振動和激烈的變形。結構發生的相應運動稱為地震反應，同時，結構內部發生很大的內力（應力）和變形，當它們超過了材料和構件的各項極限值後，結構將出現各種不同程度的破壞現象，例如混凝土裂縫，鋼筋屈服，顯著的殘餘變形，區域性的破損，碎塊或構件墜落，整體結構傾斜，甚至倒塌等等。鋼筋混凝土結構在地震作用下受力效能的主要特點有：（a）結構的抗震能力和安全性，不僅取決於構件的（靜）承載力，還在很大程度上取決於其變形效能和動力響應。變形較大，延性好的結構，能夠耗散更多的地震能量，地震的反應就減小，損傷輕而更為安全。相反，靜承載力大的結構，可能因為剛度大、重量大、延性差而招致更嚴重的破壞。（b）當發生的地震達到或超出設防烈度時，按照我國現行規範的設計原則和方法，鋼筋混凝土結構一般都將出現不同程度的損傷。構件和節點受力較大處普遍出現裂縫，有些寬度較大；部分受拉鋼筋屈服，有殘餘變形；構件表面區域性破損剝落等。但結構不致倒塌。（c）地震時結構有很大變形。一方面對結構本身產生不利影響，如柱的二階效應，增大附加彎矩，甚至引起失穩或傾覆，構造縫相鄰結構的碰撞等；另一方面造成非結構部件的破損，橋樑上部結構的脫落等破壞。故抗震結構設計時要控制其總變形。

二、延性在抗震中的重要性及其作用

在我國現在的多高層建築中，鋼筋混凝土結構應用最為普遍，其中鋼筋混凝土框架結構是最常用的結構形式。它的特點是能為建築提供靈活的使用空間，但抗震效能差，經過合理設計才具有良好的抗震效能。結構抗震的本質就是延性，，延性是指構件和結構屈服後，在承載能力不降低或基本不降低的情況下，具有足夠塑性變形能力的一種效能。在受彎構件的破壞過程中，構件的承載能力沒有多大變化，但其變形的大小卻決定了破壞的性質。當結構設計成為延性結構時，由於塑性變形可以耗散地震能量，結構變形雖然會加大，但結構承受的地震作用不會很快上升，內力也不會再加大，因此具有延性的結構可降低對結構的承載力要求。反之，如果結構的延性不好，則必須有足夠大的承載力抵抗地震。後者會多用材料，對於地震發生機率極少的抗震結構，延性結構是一種經濟的設計對策。此外，延性可以使超靜定結構的內力得以充分重分佈，採用塑性內力重分佈方法設計時，同樣也可以節約鋼筋用量，取得較好的經濟效果。因此可以說結構的延性和結構的強度是同等重要的。延性好的結構的破壞我們稱之為塑性破壞，延性差的結構的破壞我們稱之為脆性破壞，塑性破壞能提前給人以預兆，是符合結構設計理論的。

結構延性在抗震中之所以如此重要，是因為結構延性具有如下作用 ：（a）防止脆性破壞。 由於鋼筋混凝土結構或構件的脆性破壞是突發性的，沒有預兆，所以為了保障人們生命財產安全，除了對構件發生脆性破壞時的可靠指標有較高要求以外，還要保證結構或構件在破壞前有足夠的變形能力。 （b）承受某些偶然因素的作用。結構在使用過程中可能會承受設計中未考慮到的偶然因素的作用，比如說，偶然的超載、基礎的不均勻沉降、溫度變化和收縮作用引起的體積變化等。這些偶然因素會在結構中產生內力和變形，而延性結構的變形能力，則可作為發生意外情況時內力和變形的安全儲備。（c）實現塑性內力重分佈。 延性結構容許構件的某些臨界截面有一定的轉動能力，形成塑性鉸區域，產生內力重分佈，從而使鋼筋混凝土超靜定結構能夠按塑性方法進行設計，得到有利的彎矩分佈，使配筋合理，節約材料。（d）有利於結構抗震 。在地震作用下，延性結構透過塑性鉸區域的變形，能夠有效地吸收和耗散地震能量，同時，這種變形降低了結構的剛度，致使結構在地震作用下的反應減小，也就是使地震對結構的作用力減小，因此，延性結構具有較強的抗震能力。

三、提高延性的措施

在利用延性特性設計抗震結構時，首先必須確定度量延性的量化指標。衡量結構和材料的延性一般用延性係數，即在保持結構或材料的基本承載能力的情況下，極限變形0u和初始屈服變形D的比值，最常用的是曲率延性係數（也稱曲率延性比）和位移延性係數（也稱位移延性比）。一般認為鋼筋混凝土抗震結構要求的延性係數為B=3-4。強柱弱梁，強剪弱彎，強節點弱構件，這個就是框架抗震設計的一般原則了。框架結構是由梁、板、柱以及節點這四部分組成，其中梁、柱以及節點的延性決定了整個框架結構的延性。因此，只要保證柱、梁和節點的延性也就保證了框架結構的延性，從而也就確保了框架結構的抗震能力。在具體的設計中，應做到以下幾點：

（a）梁配筋計算：這裡需要提出的是箍筋，往往是設計人員容易忽略的地方。加密區和非加密區的配筋率一定要嚴格參考計算檔案，往往不是加密區滿足了，非加密區（間距放大2倍）就一定能夠滿足。其次，就是次梁加筋，較大的集中力處和樑上裝置處一定要注意加了附加箍筋是否滿足，不滿足處需要加附加吊筋。

（b） 柱配筋計算：採用單偏壓、拉計算，雙偏壓、拉驗算， 箍筋採用雙剪箍。異形柱肢長與肢寬比≤4時， 即不考慮梁的剛域，否則應考慮梁的剛域。需要注意的是，頂層託斜層頂的（角）柱，規程對此沒有涉及，它所受軸力、彎矩均不大，柱本身強度不會成問題，關鍵是房屋頂部結構整體效能，人員自己把握抗震設計的框架結構不應有錯層，原因是避免形成短柱。較小的錯層，角柱箍筋全高加密。一般處易出現短柱，為此在樓梯間兩側柱也需要箍筋全高加密。

總之，結構或構件的延性要求不是透過計算確定，是由採取一系列的加強措施實現的。框架結構要保證其有足夠的延性，必須按規範、規程所規定的不同抗震等級採取相應措施，如梁和柱的剪壓比、柱的軸壓比、強剪弱彎、強柱弱粱、強框架柱底層底截面、梁端截面受壓區高度限值、梁和柱端加密區及最小最大配筋率等等。透過合理的設計和計算，結構延性在抗震設計中會發揮極其重要的作用，從而完成結構延性的抗震設計。