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摘要：钢筋混凝土框架构件包括梁、柱和节点核心区三类构件。这类延性框架除了必须满足强柱弱梁、强剪弱弯和强节点的概念设计要求外，由于延性比的要求不能定量确定，还要通过构造措施以实现构件的延性性能。本文通过介绍试验研究成果，探讨了构件设计时实现延性框架强柱弱梁、强剪弱弯和强节点核心区的设计概念和构造措施。
关键词：框架设计 抗震概念设计
1概要
梁是钢筋混凝土框架的主要延性耗能构件，梁的破坏形态影响着梁的延性和耗能性能，而截面配筋数量及构造又与破坏形态密切相关。柱是框架结构的竖向构件，地震时柱的破坏比梁破坏更容易引起框架倒塌，必须保证柱的安全。梁—柱节点核心区的破坏为剪切破坏，可能导致框架失效，框架设计的重要内容之一是避免节点核心区在梁柱构件破坏之前破坏，即要采取强节点、强锚固的设计措施。
2框架构件的抗震概念设计
2.1延性梁
梁的延性和和耗能性能受梁的破坏形态影响，其中梁截面的混凝土相对压区高度，梁塑性铰区的截面剪压比和混凝土约束程度等为主要影响因素。
①框架梁的破坏形态与延性
梁的破坏可能是弯曲破坏，也可能是剪切破坏。弯曲破坏有三种形态：少筋破坏，超筋破坏和适筋破坏。少筋梁的纵向钢筋屈服后，很快被拉断而发生断裂破坏，称为少筋破坏；超筋梁在受拉纵筋屈服前，受压区混凝土被压碎而发生破坏，称为超筋破坏；受弯裂缝伸长且宽度加大，截面混凝土受压区高度逐渐减小，截面产生塑性转动，直到受压区混凝土压碎，这种适筋破坏属于延性破坏。梁的剪切破坏属于剪切承载力不足，出现剪切斜裂缝，在弯曲屈服之前梁构件沿斜裂缝剪断而破坏。为了防止这种剪切承载力不足产生的脆性破坏，要求按强剪弱弯设计梁构件，即要求截面抗剪承载力大于抗弯承载力。荷载组合得到的最不利剪力和组合弯矩并不相互匹配和平衡，因此由力的平衡关系可得到相应于梁端弯矩的剪力。
②框架梁的受压区高度与延性
在适筋破坏的框架梁中，梁弯曲破坏的延性大小还有不同。通过对受拉钢筋配筋率不同的梁进行试验，得出梁的受拉钢筋配筋率ρ越小，混凝土压区相对高度ξ也小，截面的塑性变形越大。实际上，影响梁的延性大小的主要因素是混凝土截面受压区高度ξ，减少受拉钢筋，或配置受压钢筋，或采用T形截面及提高混凝土强度等级等，都能减小混凝土压区相对高度，都能增大梁的延性。
③框架梁的箍筋与延性
根据震害和试验研究，框架梁端破坏主要集中在梁端塑性铰区范围内。钢筋屈服不是局限在一个截面，而是一个区段，塑性铰区不仅出现竖向裂缝，还常常有斜裂缝；在地震往复作用下，竖向裂缝贯通，斜裂缝交叉，混凝土骨料的咬合作用逐渐丧失，主要依靠箍筋和纵筋的销键作用传递剪力，这是十分不利的。为了构件安全，要在梁的两端设置箍筋加密区。规范要求的加密区长度比梁实际的塑性铰区长度大。箍筋加密区配置的箍筋应不少于按强剪弱弯计算的剪力所需要的箍筋量，还应不少于抗震构造措施要求配置的箍筋量。
2.2延性柱
与梁相似，柱的破坏形态影响柱的延性和耗能性能，由于有轴向压力的作用，柱的延性影响因素比梁更复杂，柱的剪跨比、轴压比、箍筋配置都是影响破坏形态的主要因素。
①柱破坏形态与延性
在竖向荷载和往复水平荷载共同作用下钢筋混凝土框架柱的大量试验研究表明，柱的破坏形态分为以下几种形式：压弯破坏（大偏心受压破坏、小偏心受压破坏）、剪切受压破坏、剪切受拉破坏、剪切斜拉破坏、粘结开裂破坏得等等。后三种破坏形态属于脆性破坏，应避免；大偏心受压柱的压弯破坏由钢筋屈服开始，直到混凝土受压区被压坏，因此延性较大、耗能较多，柱的抗震设计应尽可能实现大偏心破坏；小偏心受压柱的相对受压区高度大，由受压区混凝土压碎开始，而钢筋不屈服。小偏压破坏与剪切受压破坏的延性很小，基本上是脆性破坏。
②剪跨比是影响破坏形态的主要因素
剪跨比λ大于2的柱称为长柱，根据长柱与短柱塑性变形能力比较试验结果来看，长柱一般容易实现压弯破坏，延性及耗能性能较好；剪跨比不大于2、但大于1.5的柱称为短柱，短柱一般发生剪切破坏，若配置足够的箍筋，也可能实现略有延性的剪切受压破坏；剪跨比不大于1.5的柱称为极短柱，一般都会发生剪切斜拉破坏。根据试验得到的长柱与短柱的力—变形曲线比较，短柱达到最大承载力以后荷载急剧降低，破坏具有脆性。工程中应尽可能设计长柱，对于短柱设计则应采取措施改善性能，尽量避免采用极短柱。
③设置箍筋是改善混凝土延性性能的有效措施
框架柱的箍筋有三个作用：抵抗剪力、对混凝土提供约束，防止纵筋压屈。其中箍筋对混凝土的约束是提高混凝土极限压应变，从而改善混凝土延性性能的主要措施。
2.3强节点、强锚固
①节点核心区破坏机理
在竖向荷载和地震作用下，梁柱核心区应力状态复杂，为两向应力或三向应力。通过试验可明显观察到斜向的压力流，因而可以用拉杆—压杆模型来描述节点的受力机理，梁内上、下纵筋的反向拉力靠混凝土斜压杆来平衡。该机理表明：ⅰ作为拉杆的梁上、下纵向钢筋必须有足够的抗压能力，当钢筋不能直通时必须有良好的锚固；ⅱ核心区出现斜向裂缝的原因是压应变超过了混凝土的峰值应变，通过箍筋约束可以提高混凝土的应变能力；ⅲ当梁钢筋屈服以后，箍筋也可以起到拉杆作用以抵抗拉力。
②节点核心区的剪力设计值
我国规范采用了保证核心区的抗剪承载力的设计方法，配置节点核心区的箍筋以抵抗斜缝的开展，要求在梁端钢筋屈服以前，核心区不发生剪切破坏，体现了强节点的要求。还有抗震等级为一、二级时，要根据剪力设计值验算框架节点核心區的抗剪承载力（剪力设计值和承载力计算公式详见规范），并计算所需要的箍筋数量，三、四级和非抗震框架的核心区，可不验算节点区的抗剪承载力，只要求按构造配置箍筋。也就是说，核心区必须配置一定数量的箍筋，非抗震设计的框架梁柱节点核心区也要配置箍筋。
3小结
由于地震的不可预见性和地震作用的不确定性，抗震设防的结构必须重视概念设计。概念设计涉及面很广，从方案、结构布置到计算简图的选取，从截面配筋到构件的配筋构造等都存在概念设计的内容。框架结构的概念设计是高层结构设计的重要内容，工程师应当通过对力学知识和力学规律建立结构受力与变形规律的各种概念，对历次地震灾害的关注与对震害教训经验的积累，以及对各类结构试验研究结果的了解和应用，还有大量工程经验的日积月累，深入施工现场，理论联系实际，这样就会在设计的知识和能力上逐步前进。
关键词：框架设计 抗震概念设计
1概要
梁是钢筋混凝土框架的主要延性耗能构件，梁的破坏形态影响着梁的延性和耗能性能，而截面配筋数量及构造又与破坏形态密切相关。柱是框架结构的竖向构件，地震时柱的破坏比梁破坏更容易引起框架倒塌，必须保证柱的安全。梁—柱节点核心区的破坏为剪切破坏，可能导致框架失效，框架设计的重要内容之一是避免节点核心区在梁柱构件破坏之前破坏，即要采取强节点、强锚固的设计措施。
2框架构件的抗震概念设计
2.1延性梁
梁的延性和和耗能性能受梁的破坏形态影响，其中梁截面的混凝土相对压区高度，梁塑性铰区的截面剪压比和混凝土约束程度等为主要影响因素。
①框架梁的破坏形态与延性
梁的破坏可能是弯曲破坏，也可能是剪切破坏。弯曲破坏有三种形态：少筋破坏，超筋破坏和适筋破坏。少筋梁的纵向钢筋屈服后，很快被拉断而发生断裂破坏，称为少筋破坏；超筋梁在受拉纵筋屈服前，受压区混凝土被压碎而发生破坏，称为超筋破坏；受弯裂缝伸长且宽度加大，截面混凝土受压区高度逐渐减小，截面产生塑性转动，直到受压区混凝土压碎，这种适筋破坏属于延性破坏。梁的剪切破坏属于剪切承载力不足，出现剪切斜裂缝，在弯曲屈服之前梁构件沿斜裂缝剪断而破坏。为了防止这种剪切承载力不足产生的脆性破坏，要求按强剪弱弯设计梁构件，即要求截面抗剪承载力大于抗弯承载力。荷载组合得到的最不利剪力和组合弯矩并不相互匹配和平衡，因此由力的平衡关系可得到相应于梁端弯矩的剪力。
②框架梁的受压区高度与延性
在适筋破坏的框架梁中，梁弯曲破坏的延性大小还有不同。通过对受拉钢筋配筋率不同的梁进行试验，得出梁的受拉钢筋配筋率ρ越小，混凝土压区相对高度ξ也小，截面的塑性变形越大。实际上，影响梁的延性大小的主要因素是混凝土截面受压区高度ξ，减少受拉钢筋，或配置受压钢筋，或采用T形截面及提高混凝土强度等级等，都能减小混凝土压区相对高度，都能增大梁的延性。
③框架梁的箍筋与延性
根据震害和试验研究，框架梁端破坏主要集中在梁端塑性铰区范围内。钢筋屈服不是局限在一个截面，而是一个区段，塑性铰区不仅出现竖向裂缝，还常常有斜裂缝；在地震往复作用下，竖向裂缝贯通，斜裂缝交叉，混凝土骨料的咬合作用逐渐丧失，主要依靠箍筋和纵筋的销键作用传递剪力，这是十分不利的。为了构件安全，要在梁的两端设置箍筋加密区。规范要求的加密区长度比梁实际的塑性铰区长度大。箍筋加密区配置的箍筋应不少于按强剪弱弯计算的剪力所需要的箍筋量，还应不少于抗震构造措施要求配置的箍筋量。
2.2延性柱
与梁相似，柱的破坏形态影响柱的延性和耗能性能，由于有轴向压力的作用，柱的延性影响因素比梁更复杂，柱的剪跨比、轴压比、箍筋配置都是影响破坏形态的主要因素。
①柱破坏形态与延性
在竖向荷载和往复水平荷载共同作用下钢筋混凝土框架柱的大量试验研究表明，柱的破坏形态分为以下几种形式：压弯破坏（大偏心受压破坏、小偏心受压破坏）、剪切受压破坏、剪切受拉破坏、剪切斜拉破坏、粘结开裂破坏得等等。后三种破坏形态属于脆性破坏，应避免；大偏心受压柱的压弯破坏由钢筋屈服开始，直到混凝土受压区被压坏，因此延性较大、耗能较多，柱的抗震设计应尽可能实现大偏心破坏；小偏心受压柱的相对受压区高度大，由受压区混凝土压碎开始，而钢筋不屈服。小偏压破坏与剪切受压破坏的延性很小，基本上是脆性破坏。
②剪跨比是影响破坏形态的主要因素
剪跨比λ大于2的柱称为长柱，根据长柱与短柱塑性变形能力比较试验结果来看，长柱一般容易实现压弯破坏，延性及耗能性能较好；剪跨比不大于2、但大于1.5的柱称为短柱，短柱一般发生剪切破坏，若配置足够的箍筋，也可能实现略有延性的剪切受压破坏；剪跨比不大于1.5的柱称为极短柱，一般都会发生剪切斜拉破坏。根据试验得到的长柱与短柱的力—变形曲线比较，短柱达到最大承载力以后荷载急剧降低，破坏具有脆性。工程中应尽可能设计长柱，对于短柱设计则应采取措施改善性能，尽量避免采用极短柱。
③设置箍筋是改善混凝土延性性能的有效措施
框架柱的箍筋有三个作用：抵抗剪力、对混凝土提供约束，防止纵筋压屈。其中箍筋对混凝土的约束是提高混凝土极限压应变，从而改善混凝土延性性能的主要措施。
2.3强节点、强锚固
①节点核心区破坏机理
在竖向荷载和地震作用下，梁柱核心区应力状态复杂，为两向应力或三向应力。通过试验可明显观察到斜向的压力流，因而可以用拉杆—压杆模型来描述节点的受力机理，梁内上、下纵筋的反向拉力靠混凝土斜压杆来平衡。该机理表明：ⅰ作为拉杆的梁上、下纵向钢筋必须有足够的抗压能力，当钢筋不能直通时必须有良好的锚固；ⅱ核心区出现斜向裂缝的原因是压应变超过了混凝土的峰值应变，通过箍筋约束可以提高混凝土的应变能力；ⅲ当梁钢筋屈服以后，箍筋也可以起到拉杆作用以抵抗拉力。
②节点核心区的剪力设计值
我国规范采用了保证核心区的抗剪承载力的设计方法，配置节点核心区的箍筋以抵抗斜缝的开展，要求在梁端钢筋屈服以前，核心区不发生剪切破坏，体现了强节点的要求。还有抗震等级为一、二级时，要根据剪力设计值验算框架节点核心區的抗剪承载力（剪力设计值和承载力计算公式详见规范），并计算所需要的箍筋数量，三、四级和非抗震框架的核心区，可不验算节点区的抗剪承载力，只要求按构造配置箍筋。也就是说，核心区必须配置一定数量的箍筋，非抗震设计的框架梁柱节点核心区也要配置箍筋。
3小结
由于地震的不可预见性和地震作用的不确定性，抗震设防的结构必须重视概念设计。概念设计涉及面很广，从方案、结构布置到计算简图的选取，从截面配筋到构件的配筋构造等都存在概念设计的内容。框架结构的概念设计是高层结构设计的重要内容，工程师应当通过对力学知识和力学规律建立结构受力与变形规律的各种概念，对历次地震灾害的关注与对震害教训经验的积累，以及对各类结构试验研究结果的了解和应用，还有大量工程经验的日积月累，深入施工现场，理论联系实际，这样就会在设计的知识和能力上逐步前进。