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摘要：对结构设计中常用的几个指标在延性和脆性的角度上进行了较为详细的阐述和分析，主要包括轴压比、剪跨比、剪压比等概念。并对这几个指标在模型中的体现做出了说明，能使结构从业者更好的理解概念，调好模型。
关键词：抗震；延性；脆性；轴压比；剪跨比；剪压比
延性是指材料、构件、结构在初始强度没有明显退化的情况下的非弹性变形能力，是反映材料、构件、结构的后期变形能力。通俗的讲就是当地震来临时，建筑物不会立刻遭到破坏，而是在破坏之前有一个相对时间的缓冲期，而在这个缓冲期内，人们可以用来疏散，从而避免更大灾难的产生；而“脆性”则截然相反，是骤然破坏的一种现象。
在这里，我们先引入一个结构设计中最常见的名词——轴压比。柱轴压比指地震作用下柱组合的轴向压力设计值与柱全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积之比值；剪力墙肢轴压比指在重力荷载代表值作用下墙的轴压力设计值与墙的全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积的比值。
不同的结构形式对轴压比均有较为严格的控制，我们在做具体的项目时，对轴压比的控制也是一再要求，坚决不能出现轴压比“超”的现象，那么我们究竟为什么要这么重视轴压比呢？其实我们限制轴压比主要是为了控制结构的延性，随着轴压比增大，构件延性降低，耗能能力减少。在同等位移条件下，轴压比大的柱子混凝土压应力大，轴力小的柱子混凝土压应力小，因此轴压比小的柱子能比轴压比大的柱子达到更大的顶点位移下才破坏，也就是说位移延性高于轴压比大的柱子，这就是提高延性的原因。抗震设计规范控制框架柱轴压比的意义，就在于使柱子尽量处于大偏心受压状态，避免出现延性差的小偏心受压破坏。
柱和墙是竖向关键构件，完全承受竖向荷载。抗震设计时，必须保证柱和墙具有充分的延性。试验表明，在这些竖向构件中配置箍筋是提高构件延性的有效措施。箍筋的存在约束了混凝土的横向变形，提高了混凝土的极限变形能力。可以看到竖向荷载是这些构件破坏的外力，而箍筋是一种抗力，二者之间有着一定的关联。当“竖向荷载”大，可以通过多配置箍筋来抵消破坏的不利趋势。当“竖向荷载”较小时，则可以少配置箍筋，以求经济。箍筋能有效提高对墙柱核心混凝土的约束效应，改善墙柱的位移延性性能。剪力墙暗柱的体积配箍率与剪力墙墙肢的轴压比有着紧密的联系，λv是一个与轴压比密切相关的变值，由此可以看出轴压比的本质其实就是对竖向构件延性控制的一个关系量。
延性深层次的概念其实是结构或构件塑性形成的一种体现，在外部荷载作用下，结构或构件变形超过屈服，结构进入塑性阶段，此时持续加载外部荷载，结构变形继续增长，但结构不致立刻破坏，这时我们可称为结构的延性较好，有较大的塑性变形能力，这也是我们设计追求的目标。具体到设计时，我们可采用量化的指标来达到我们设计的目的，我们可再引入一个比较常用的概念：剪跨比。
剪跨比实质上是截面上正应力σ与剪应力τ的比值关系，正应力σ与剪应力τ决定了主应力的大小和方向，所以对斜截面的抗剪性能和破坏形态起着重要影响。更深层次的分析：主应力与剪切应力之比，延伸至延性与脆性。关于剪跨比我们可以从梁和柱两个方面来分析。
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对于梁而言，它反映计算截面上正应力与剪应力的相对关系，是影响抗剪破坏形态和抗剪承载力的重要参数。
在其它因素相同时，剪跨比越大，抗剪能力越小。当剪跨比＞3时，抗剪能力基本不再变化。我们在做设计时，因为剪切破坏属于脆性破坏，所以我们要严格控制好此参数；
对于柱而言，长柱一般发生弯曲破坏；短柱多数发生剪切破坏；极短柱发生剪切斜拉破坏，后两种破坏属于脆性破坏。抗震设计的框架结构柱，柱端剪力一般较大，从而剪跨比λ较小，易形成短柱或极短柱，产生斜裂缝导致剪切破坏。柱的剪切受拉和剪切斜拉破坏属于脆性破坏，在设计中应特别注意避免发生这类破坏。
通常而言，剪跨比λ＞2时，称为长柱，只要按照构造配置横向钢筋，一般破坏形式均为弯曲破坏；
剪跨比λ≤2时，称为短柱，多数会出现剪切形的破坏。但当提高混凝土强度或配有足够的横向钢筋，也可能出现延性较好的剪切受压破坏。当受拉钢筋配筋率过大时，则可能出现粘结型破坏。一般在短柱中应当计算斜截面抗剪强度，并应限制纵筋配筋率。
剪跨比λ≤1.5时，称为极短柱，一般都会发生剪切斜拉破坏，抗震性能不好。设计时应发尽量避免这种极短柱，否则需要采取特殊措施。此种情况一般出现在框架结构中楼梯处、有夹层的部分结构中，对于此类柱子，我们需全线箍筋加密，尤其是楼梯间这种疏散构件处，一定不能疏忽大意。
在框架结构中，由于框架柱中反弯点大都接近中点，为设计方便，常常用柱长细比近似表示剪跨比的影响。
但是，对于高层建筑，梁、柱线刚度比较小，特别是底部几层，由于受柱底嵌固的影响且梁对柱的约束弯矩较小，反弯点的高度会比柱高的一半高得多，甚至不出现反弯点，此时不宜按Ｈ／ｈ≤４来判定短柱，而应按短柱的力学定义--剪跨比λ＝Ｍ／Ｖｈ≤２来判定才是正确的。
剪跨比对结构的延性控制至关重要，因此我们在做设计时一定要控制好这方面的指标，对任何一个剪跨比不够的构件，均要进行缜密细致的分析和判断，应在设计的源头上控制好，只有这样我们才会做出一个安全合理的建筑物。
聊到剪跨比，我们就不得不提与之密切相关的另外一个概念—剪压比。顾名思义，剪压比为截面的平均剪应力与混凝土轴心抗压强度的比。剪压比是结构抗震设计中经常使用的关键指标，它在表面上并没有直接反应出对结构或构件延性的体现，然而实验研究表明：墙肢的剪压比超过一定数值时，导致较早出现斜裂缝，此时即使增加横向钢筋也不能有效提高其受剪承载力，应限制墙肢剪压比，本质是要求抗震墙肢截面达到一定的面积指标，对剪跨比较小的墙肢应尽量避免采用。剪切、斜压破坏均为脆性破坏，是我们在做设计中应极力避免的，这也是我们控制剪压比的意义之所在。
结束语：
虽然我们在本篇文章中提及了很多次延性和塑性，但是作为一个合格的结构设计师，我们必须明白延性并不等同于塑性，从某种方面来讲，塑性可以包含于延性之中，实际中，结构的构件在地震来临时，会通过形成塑性铰，使其内力重新分布，进而消耗地震能量来实现整体结构的延性的目的。也可以这么说，构件塑性的形成是结构延性的必要条件，没有塑性，也谈不上结构的延性。
参考文献
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[5]PKPM使用说明书PKPMV3.1.6版.北京：中国建筑科学研究院.
[6]朱炳寅.《高层建筑混凝土结构技术规程应用与分析JGJ3-2010》北京：中国建筑工业出版社，2012.
论文作者:田纪超
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第25期
论文发表时间:2018/1/29
标签：延性论文; 构件论文; 结构论文; 脆性论文; 应力论文; 塑性论文; 截面论文; 《建筑学研究前沿》2017年第25期论文;