浅析塑性铰在钢筋混凝土框架结构延性设计中的应用

浅析塑性铰在钢筋混凝土框架结构延性设计中的应用

[摘 要]阐明了钢筋混凝土框架结构中塑性铰的基本定义及形成机理，说明了在结构中引入塑性铰对提高结构抗震性能的必要性，并结合现行的相关规范提出在进行结构延性设计时所应该注意的问题。

[关键词]框架梁；塑性铰；延性设计；内力重分布 钢筋混凝土框架结构是最常用的结构形式。钢筋混凝土框架结构是一种由梁、柱组成的超静定结构体系，在地震以及风荷载等各种荷载组合作用下需设计成延性结构，以很好的吸收和耗散能量，同时保证结构必要的抵抗变形的能力，从而确保结构的安全性能。在工程实际中利用钢筋混凝土结构构件的基本性能，合理的设置塑性铰，即通过框架梁端的弯矩调幅使框架梁能够成为能量耗散构件，以使整个框架结构成为强柱弱梁结构体系，从而利于增加结构抗震潜力,增强结构抗倒塌能力，这对结构抗震设计具有重要的实际意义。

（一）塑性铰的概念及特点

在钢筋混凝土结构中，从钢筋屈服到混凝土被压碎，截面不断绕中和轴转动，类似于一个铰，由于此铰是在截面发生明显的塑性形变后形成的，故称其为塑性铰。

塑性铰区别于结构铰，结构铰是用来连接两个固体，并允许两者之间做转动的连接，传递剪力和轴力，不传递弯矩。而塑性铰的存在条件是因截面上的弯矩达到塑性极限弯矩，并由此产生转动；当该截面上的弯矩小于塑性极限弯矩时，则不允许转动。因此，塑性铰可以传递一定的弯矩，而在结构铰中弯矩为零，不能传递弯矩。结构铰为双向铰，即可以在两个方向上产生相对转动，而塑性铰的转动方向必须与塑性弯矩的方向一致，不允许与塑性铰极限弯矩相反的方向转动，否则出现卸载使塑性铰消失，所以塑性铰为单向铰。

（二）塑性铰的工作机理

塑性铰是与理想铰相比较而言，理想铰不能承受弯矩，而塑性铰能够承受弯矩，其值即为塑性铰截面的极限弯矩。对于超静定结构，由于存在多余联系，某一截面的纵向钢筋屈服，即某一截面出现塑性铰并不能使结构立即成为破坏结构，还能承受继续增加的荷载。当继续加荷时，先出现塑性铰的截面所承受的弯矩维持不变，产生转动，没有出现塑性铰的截面所承受的弯矩继续增加，直到结构形成几何可变机构。这就是塑性变形引起的结构内力重分布，塑性铰转动的过程就是内力重分布的过程。

超静定钢筋混凝土结构的内力重分布可分为两个过程：第一过程发生在受拉混凝土开裂到第一个塑性铰形成之前，主要由于结构各部分的弯曲刚度比值的改变而引起的内力重分布；第二过程发生于第一个塑性铰形成之后直到形成机构而导致结构构件的破坏，进而引起结构的内力重分布。由此可见，构件只要出现塑

性变形就会发生刚度变化，第一过程的内力重分布在静定结构与超静定结构中都存在；但是结构一旦出现塑性铰，静定结构就会变成机构而导致结构体系的破坏，所以第二过程的内力重分布只存在于超静定结构中。第二过程的内力重分布比第一过程的内力重分布要显著得多。第一过程可以说是弹塑性内力重分布，第二过程是塑性内力重分布。

（三）现行规范对框架结构延性设计的规定

在工程实际中，超静定结构的塑性内力重分布的延性设计是通过塑性铰的产生实现的，塑性铰的转动能力影响结构的塑性内力重分布，而钢筋的配筋率影响塑性铰的转动能力；另外，混凝土的极限压应变值也影响塑性铰的转动能力，即极限压应变值较大时，塑性铰的转动能力也相比较大。现行规范对上述均有相关的规定：例如,现浇框架梁的混凝土强度等级不宜大于C40；计算中，计入纵向受压钢筋的梁端混凝土受压区高度应符合下列要求：

一级抗震等级： x=0.25 h0( h0为梁的有效高度)；

二级、三级抗震等级： x=0.35 h0；且梁端纵向受拉钢筋的配筋率不应大于2.5%。

梁的斜截面由于抗剪能力不足而发生的剪切破坏分为三种，即剪压破坏、斜压破坏和斜拉破坏。无论是哪一种斜截面破坏，均属于脆性破坏。所以要实现延性设计，实现预期的内力重分布，其前提条件之一就是在破坏机构形成之前，不能发生因斜截面承载力不足而引起的剪切破坏，否则将阻碍内力重分布的进行。这就是常说的强剪弱弯的设计原则，所以对于采用塑性内力重分布进行设计的梁必须有足够的抗剪承载能力。

现行规范规定：抗震设计时，框架梁端部截面组合的剪力设计值，一级、二级、三级应按下列公式计算：

V=ηvbMbl+Mbrln+VGb

9度抗震设计的结构和一级框架结构尚应符合：

V=1.1Mbual+Mbuarln+VGb

式中：

Mbl、 Mbr分别为梁左、右两端逆时针或顺时针方向截面组合的弯矩设计值，当抗震等级为一级且梁两端弯矩均为负弯矩时，绝对值较小一端的弯矩应取零；

Mbual、 Mbuar分别为梁左、右两端逆时针或顺时针方向实配的正截面受弯承载力所对应的弯矩值，可根据实配钢筋面积（计入受压钢筋）和材料强度标准

值并考虑承载力抗震调整系数计算；

ηvb为剪应力增大系数，一级、二级、三级分别取1.3、1.2、1.1；

VGb为考虑地震组合的重力荷载代表值（9度时还应包括竖向地震作用标准值）作用下，按简支梁分析的梁端截面剪力设计值。

有地震作用时组合的框架梁，当跨高比l0h>2.5时，其受剪截面尺寸应符合下列条件：

Vb≤1γRE(0.20βcfcbh0)

考虑地震组合的框架梁的斜截面受剪承载力应符合下列条件：

Vb≤1γRE(0.42ftbh+1.25fyvAsvSh0)

通过以上措施，可保证梁端在发生弯曲破坏之前不会发生剪切破坏，从而在设计上保证了钢筋混凝土框架梁的延性。

(四)工程实际设计中应注意问题

现阶段，对塑性铰的控制是通过对梁端的弯矩进行调幅来实现的。对梁端弯矩的调幅应注意：若是对梁端弯矩调幅幅度过大，可能会导致结构构件在使用过程中出现较大的裂缝，影响结构的正常使用性能。因结构构件在内力重分布过程中形成的塑性铰是单向铰，所以应避免承受动力荷载与重复荷载可能产生反向弯矩。

为此，规范对采用塑性内力重分布法进行梁端弯矩调幅设计做了明确的规定。调幅只对竖向荷载作用下的弯矩进行调幅，现浇框架梁的梁端负弯矩的调幅系数在0.8~0.9之间。在有地震作用组合的情况下，先对竖向荷载作用下的框架梁的梁端弯矩进行调幅，再与水平作用的弯矩进行组合。同时，在梁端的负弯矩进行调幅后，应适当增大梁跨中的弯矩值。在模型计算信息中，一般梁端负弯矩的调幅系数可为0.85以上的调整系数，跨中正弯矩可适当放大20%左右。在工程实际设计中，计算配筋率和实际配筋率是有差别的，实配的钢筋量常超出计算配筋量，如果钢筋配筋量过大，可能会使预计出现塑性铰的截面在弯矩达到调幅弯矩时不能出现塑性铰，而在不该出现塑性铰的截面因配筋相对薄弱而出现塑性铰，导致结构没有按预计的顺序出现塑性铰，影响结构的安全性。

塑性铰通过对构件进行弯矩调幅来实现，具体过程又是通过塑性内力重分布实现。这种设计方法考虑了结构的塑性变形特性，比较贴近工程实际，是结构延性设计的重要内容。