1.延性框架结构的要求

（1）延性的定义。延性是指构件和结构屈服时，具有承载能力不降低或基本不降低，且有足够塑性变形能力的一种性能，一般用延性比表示延性——塑性变形能力的大小。塑性变形可以耗散地震能量，大部分抗震结构在中震作用下都有部分构件进入塑性状态而耗能；大震作用下，结构不能倒塌。因此，抗震结构的构件需要延性，抗震的结构应该设计成延性结构，同时耗能性能也成为延性好坏的一个指标。

对于钢筋混凝土框架结构而言，延性概念的理解可分为三个层次：首先为截面的延性，取决于破坏的形式（剪切或弯曲），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、截面的延性越好；其次为构件的延性大小，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；最后的层次是结构延性，其大小取决于构件的延性以及构件的强度对比。为此，要使抗震结构体系能够承受强烈地震作用，不至于发生严重破坏和倒塌，必须具有足够的变形能力。

（2）构件延性比和结构延性比。构件延性比是指极限变形（曲率、转角或挠度）与屈服变形的比值。屈服变形是钢筋屈服时的变形，极限变形一般定义为承载力降低10%～20%时的变形。

对于一个钢筋混凝土结构，当某个构件出现塑性铰时，结构开始出现塑性变形，但由于结构一般属于超静定结构，因此一个构件屈服只会使结构刚度略有降低；当出现塑性铰的构件数量增多以后，结构的塑性变形逐渐加大，结构刚度继续降低；当塑性铰达到一定数量以后，结构也会出现屈服现象，即结构进入变形迅速增大而承载力略微增大的塑性阶段。当整个结构不能维持其承载力而下降至最大承载力的80%～90%时达到极限位移。结构的延性比通常是指极限位移与屈服位移的比。由于结构屈服的特征点并不明显，一些简化方法也没有明确的物理意义，很难统一。因此，结构延性比数值常常不确定，只是作为一个重要的概念。

（3）设计时的延性要求。设计时必须满足：延性能力大于延性要求，延性能力是指结构本身具有的性质，应当是合理设计的结果，在“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设计原则下，钢筋混凝土结构都应该设计成延性结构，即在设防烈度地震作用下允许部分结构出现塑性铰，是“中震可修”；在合理控制塑性铰部位、构件又具有足够的延性时，可做到在大震作用下结构不倒塌。延性结构的塑性变形可以耗散地震能量，结构变形虽会加大，但作用于结构的惯性力不会很快，内力也不会再加大，因此，降低对延性结构的承载力要求，延性结构用它的变形能力抵抗地震作用，否则延性不好，就必须由足够大的承载力抵抗地震，就会多用材料。对于地震发生概率极小的抗震结构，延性结构是一种经济、合理而安全的设计对策。

适当调整地震内力，合理选择截面尺寸、纵向配筋和箍筋，以达到抗震的要求。内力调整是在框架内力组合之后、构件截面强度计算之前进行的，应按现行规范要求根据抗震等级的大小予以调整；截面尺寸选择应保证梁端塑性铰的转动能力；纵向受力钢筋宜选用变形钢筋；为了保证塑性铰的转动能力，一级、二级框架结构，纵向受力钢筋的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值不应小于1.25；为了实现强柱弱梁、强剪弱弯的要求，钢筋的屈服强度实测值与钢筋的强度标准值的比值（超强比）不应大于1.40；合理的配筋，可使以受弯为主的框架梁获得较好的延性，提高框架柱的强度及变形能力。

（4）框架梁柱强度与框架延性的关系。美国R.W.克拉夫教授早在1966年就做了关于强柱弱梁框架的研究，对比了不同强度的梁和不同强度的柱在地震作用下的延性比要求。

梁的三种强度比为1.5、2、4，柱维持强度比为6的实验表明，除接近顶部的几层以外，梁的强度对侧移影响不大；梁的强度越小，梁的延性比要求越大（屈服越早的梁，塑性变形必然越大）；梁的强度越大，柱的轴力也越大；底层柱的延性系数较小（小于1表示尚未屈服）。上部结构中，梁的强度越高，柱子的延性比要求越高。同样在改变柱强度时发现，柱强度对侧移影响不大，对梁的延性比要求越高，且对柱的延性比要求越低。

可见，降低梁的强度可以降低对柱延性比的要求，可以降低柱的轴力，虽然增加了对梁的延性比要求，但相对容易实现。

（5）框架结构构件节点的连接要求。由于钢筋混凝土梁、柱的脆性破坏延性小、耗能能力差，因此，梁、柱都按“强剪弱弯”设计构件。梁柱节点核心区的破坏为剪切破坏，可能导致框架失效。在地震往复作用下，伸入核心区的纵向钢筋与混凝土间的黏结破坏，导致梁端转角增大，从而导致层间位移增大。因此，要求强核心区、强锚固。由于延性能力和延性要求都无法定量，在抗震设计时采用了区分抗震等级的方法，抗震等级的差别就是对延性要求的差别。

节点是把梁、柱连接起来形成结构的关键部位，节点的破坏将导致框架结构丧失整体性，而且这种破坏一般难修复加固。由于节点处受力复杂，为保证内力可靠传递，节点核心区应进行严格的抗震验算，具体计算见文献[27]。为发挥钢筋的作用，梁、柱纵向钢筋在节点处应有充分的锚固，预埋件的锚固破坏不应先于连接件。在连接件破坏之前不应将预埋件的锚筋拔出或拉断，构件节点的破坏不应先于其连接的构件。装配式结构构件的连接应能保证结构的整体性，如加强装配式楼板之间的锚固连接等。

（6）非结构构件及设缝的影响。要注意框架填充墙材料的选用和布置。从减轻结构自重的角度看，填充墙应选择轻质材料，选用大块、能与主体结构形成柔性连接的填充墙。当使用具有较大刚度的材料做填充墙时，其布置不但会影响框架结构沿高度的刚度分布，也会影响结构在平面上的刚度分布。不能由于填充墙的布置不当而形成上刚下柔的结构，或形成房屋梁端一端刚、一端柔的平面。由于填充墙不进入结构分析，要从概念设计估计其不利作用并加以避免。

注重防震缝的设计。防震缝的设置应根据建筑的类型、建筑的形状、结构类型、结构材料种类、使用性质及抗震设防烈度等具体情况确定。文献[27]按照区别对待的原则，对各类结构提出设置防震缝的要求。而多层钢筋混凝土房屋，往往因建筑设计的需要（使用要求、美观、立面处理）或建筑场地条件的限制而不设防震缝，应选取符合实际的计算模型，进行较精细的抗震分析，估计其局部应力、变形集中及扭转影响，判明其易损部位。根据地震经验，应采取加强连接和提高抗震能力的措施。

2.梁的延性

由实验可知，梁的破坏可分为弯曲破坏和斜截面的剪切破坏，其中适筋弯曲破坏呈现比较好的延性特点。而斜截面的剪切破坏中剪压破坏稍具延性，斜压和斜拉均呈明显的脆性特点，设计中应尽量避免脆性破坏发生。为防止这种因剪切承载力不足而导致的斜截面脆性破坏，要求按“强剪弱弯”设计梁构件，即要求截面抗剪承载力大于实际的抗弯承载能力，GB50011—2001依据抗震等级的不同在框架梁的剪力设计值计算公式中给予了体现，详见GB50011—2001相应条款。除此外还应考虑以下影响梁延性的主要因素。

（1）纵筋配筋率：在适筋破坏的框架梁中，梁的受拉钢筋配筋率越小，混凝土相对受压区高度也越小，截面可产生的塑性变形越大。因此，保证梁截面的延性，应限制纵向钢筋最大配筋率，减小受拉钢筋配筋率，确定受压钢筋与受拉钢筋的合理比值，相对增大受压钢筋配筋率或采用T形截面及提高混凝土强度都能增大梁的延性。实验表明，当x/h0＝0.2～0.35时，梁的延性系数可达3～4；框架结构中塑性铰应当首先出现在梁端，抗震等级越高要求梁的延性越大，因此限制两端部截面受压区高度越严，要求配置的受压钢筋数量也越多。

（2）剪压比：控制剪压比，即控制截面的最小尺寸，避免混凝土过早出现斜裂缝。名义剪压比V/bh0≥0.15时，梁的延性耗能将产生退化，剪压比越高，退化越快，混凝土破坏越早，此时增加箍筋用量已不能发挥作用，因此要求尺寸不能过小。(www.daowen.com)

（3）跨高比的值越小，剪力影响越大，当跨高比小于2时梁易出现斜截面破坏，一般对梁的净跨要求ln≥4h，h为梁截面高度。当梁跨过小，而计算剪力设计值又较大时，宜先加大梁宽。

（4）在梁中配置封闭式、末端锚固良好的箍筋可约束纵向受压钢筋，防止压屈，达到发挥纵向钢筋强度的作用，同时能有效改善混凝土受压时的变形能力，提高塑性铰的转动能力，达到耗能、提高抗震性能的设计目的。因此，控制配箍率不小于GB50011—2001的要求，并适当加密塑性铰区的箍筋，提高箍筋的用量，有利于提高梁柱的延性。

3.柱的延性

柱作为框架结构的竖向承重构件，在地震作用下的延性和耗能能力直接影响框架是否倒塌，是延性设计的重点。但由于柱中轴向力的存在，其延性设计较梁更为复杂。一般认为影响钢筋混凝土框架柱截面延性大小的相关因素有：柱的剪跨比、轴压比、箍筋的横向约束能力（由体积配箍率和箍筋的强度和构造决定）；核心区混凝土的极限压应变能力；柱周边纵向钢筋承担截面轴向压力的能力（与纵筋的配筋率和强度有关）；钢筋混凝土框架柱的截面形状等。

（1）避免短柱的设计，防止短柱发生剪切破坏。据有关资料显示，柱的剪跨比是决定框架柱延性破坏的主导因素。钢筋混凝土框架柱的剪跨比越大，延性越好。剪跨比（λ＝M/Vh0）反映了柱截面正应力和剪应力的相对大小，λ＞2为长柱，延性和耗能性能较好；2≥λ＞1.5为短柱，多发生剪压破坏；1.5≥λ为极短柱，一般发生斜拉破坏，表现出很大的脆性。

（2）轴压比对柱延性的影响。轴压比限制即为钢筋混凝土框架柱截面在大小偏心受压界限破坏状态下的轴压比值。同济大学所做低周反复荷载下高轴压比对钢筋混凝土框架柱延性功能影响的实验表明，轴压比对钢筋混凝土框架柱的弹塑性极限变形能力确实有很大的影响。其他条件相同时，随着轴压比的增大，柱试件的弹塑性极限变形能力会出现明显的减小趋势。

规范控制轴压比限值就是根据柱轴压比对混凝土框架柱延性的影响，调整使柱截面在荷载作用下发生具有较好延性功能的大偏心受压破坏状态，使其即使超出弹性极限仍具有足够大的弹塑性极限变形能力，防止在地震作用下发生小偏心受压状态的脆性破坏，保证框架结构在罕遇地震作用下达到“大震不倒”的设计目的。

但在轴压比的使用中仍需注意一些问题，有试验结果证明：在其他情况相同时，框架柱截面界限破坏轴压比的大小与柱纵向钢筋的配筋率成正比，而与纵筋的强度等级成反比。在新西兰的标准混凝土结构规范中甚至规定，当框架柱截面按正常承载力计算所需的纵向钢筋配筋率大于一定量时，可以不考虑轴压比的问题。

而目前GB50011—2001抗震规范中将轴压比限值的适用范围限制在剪跨比大于2，混凝土强度等级不大于C60的界限内，且仅考虑沿柱高采用井字形复合箍、复合螺旋箍，在肢距、箍距与直径满足规定要求及在柱截面中部设置芯柱等有利情况时，轴压比限值可以适当增大，并未考虑柱纵筋配筋率及其强度等因素对轴压比的影响。

另外，虽然根据轴压比的定义，原则上可以通过提高混凝土的强度等级和加大柱截面尺寸的方法来减小轴压比以增大延性。但强度等级越大柱的变形能力越差且在箍筋间距比较大的情况下，柱核心区混凝土的极限压应变能力不取决于混凝土强度而更取决于配箍特征，试图仅通过提高混凝土的强度等级来增加柱的延性效果是不理想的。更何况加大柱截面尺寸会导致柱子的剪跨比减小，易引起柱的脆性破坏，也会导致结构刚度增大，地震反应加大，对抗震反而不利；此外柱截面的增加还会带来混凝土用量的增加、减小使用面积等不利因素，造成在实际工程中，常出现柱的配筋在满足轴压比的限值要求时，往往为构造配筋。

因此鉴于以上原因，在设计框架时，应该根据结构功能及其受力条件，以理想的承载力、刚度和延性为统一目标，选择形成最佳梁柱刚度比的柱截面形式与尺寸，通过结构分析与截面计算得出真正受力所需要的纵向钢筋配筋率，然后去复核这个轴压比是否满足规范要求。复核时不但要考虑规范附注中的可调整因素，而且还应该考虑确实对界限破坏时的轴压比有直接影响的各个要素。

（3）箍筋横向约束能力的影响。箍筋在抵抗水平剪力的同时其横向约束能力对核心混凝土提供了侧向支撑，提高了箍筋内混凝土的极限压应变，间接提高柱的压缩变形能力；同时减小纵筋的无支撑长度有利于防止纵向钢筋的压屈，对充分利用钢筋材料起到重要作用。

试验表明，箍筋提供的约束作用的效果与箍筋的配筋形式、配筋数量有关。目前经常使用的箍筋形式中圆形箍筋、井字复合箍及连续复合螺旋箍的效果相对较好。同时设计中用配筋特征值λv（与体积配箍率、箍筋强度设计值成正比，与混凝土抗压强度设计值成反比）作为一个综合指标来衡量箍筋的配置数量。且配置数量的效果与轴压比也有关，轴压比增大时，提高箍筋数量的效果会逐渐趋于平缓。λv具体取值可查阅表3.21。

（4）钢筋混凝土框架柱的截面尺寸、形状直接影响柱截面界限破坏时钢筋和混凝土内的应变、应力的分布，以及混凝土受压边缘的极限压应变。柱截面过小时，截面上的平均剪应力过大，柱的剪压比变大，单纯通过增加箍筋无法延迟柱过早发生剪切破坏，因此需要限制柱的最小截面尺寸。同时有研究表明，柱截面的形状对其工作性能也有很大影响，如圆形截面柱的大小偏心受压界限破坏的轴压比值明显要比矩形截面柱大，因此在相同条件下，圆形截面的柱的承载力与变形能力都优于相应的矩形截面。

（5）为提高框架柱的延性，达到“强柱”要求，对不同抗震等级的框架，一般还采取以下措施对弯矩、剪力设计值进行调整。

在一级、二级、三级框架的梁、柱节点处，除顶层柱和轴压比小于0.15者外，柱端考虑地震作用的组合弯矩应分别乘以1.4、1.2、1.1的调整系数。底层柱应分别乘以1.5、1.25、1.15的系数。框架角柱应按双偏心受力构件计算，经过上述调整的弯矩、剪力值应乘以不小于1.1的增大系数。一级、二级、三级框架柱的截面考虑地震组合的剪力设计值按《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3—2002）中6.2.3条采用。

框架结构的梁、柱截面强度计算采用荷载效应基本组合中最不利内力组合值（设计值）进行设计。详见上册《混凝土结构设计原理》有关章节。