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1.1 钢筋混凝土的特征
1．1 侧限混凝土
侧限混凝土这个术语属于通常指的是混凝土在所有方向都被限制住的一种状态。一个钢筋混凝土搭配有在空间上紧密的放置的数个螺旋状的加固或铁环就是个典型的例子。这个限制加固通过增加混凝土的强度和延伸性从而达到限制侧面张力的目的，与没受限制的混凝土相比。
侧限混凝土要素的例子是圆形的柱子辅以横断的持续的螺旋形的加固，即通常所指的螺旋形加固或圆形铁环。长方形的即附上长方形的铁环，在筑造建筑物时更常见，亦是另一例。注意，横断的加固直到一个成轴的装载量达到未被限制的混凝土呈现出一定程度的侧面拉紧时之前都不会承受压力。这种情况通常发生在未被限制的强度使用85%的情况下。超过了这个点，混凝土倾向于压迫那个横断的加固，从而制造出了一个限制的反应就像图示1.1 所指出的那样。
压力拉紧曲线的形状对钢筋混凝土来说起到了留间隔和横断加固直径的作用，在其它变量之中。
横断加固处于一个长方形的圆柱中只起到在垂直障碍物和外部弯曲之间束缚的作用而不是有效的在垂直障碍物间固定混凝土的作用。这个束缚的直径越大，则弯曲的坚硬程度就越强，造就更佳的固定。在圆形束缚的的情况下，这种歪曲坚硬就不重要了。这是因为根据它的形状，螺旋形将会处于轴的压力且会产生一个始终如一的针对混凝土的压力。
2. 高层建筑的钢筋混凝土设计
从上到下翻译(a) 侧限混凝土 螺旋或圆形束缚 未受限的混凝土 （b）侧限混凝土 矩形铁环 角落限制行为 （c）侧限混凝土 交叉线（象征性的） 矩形铁环
图形1.1 由横断加固限制的单元混凝土(a) 螺旋形或圆形的铁环固定 （b）矩形铁环固定 （c）铁环和交叉束缚固定
在一个圆形单元内由外侧混凝土扩张而产生的突发力量可能会被认为等同于的一股统一散布的呈放射状的力量，环绕在横断束缚的周围。此放射状的力量产生了一种均匀的扩展束缚并产生了一个可延长的力量T。为了能确定T，让我们想象这个束缚在水平直径部分被切成两半（图1.2）并认为束缚的上半部分是一个自由的部分。

图1.2 圆形单元的固定 （a） 圆形束缚单元 （b）放射状力量 （c）束缚上半部分的自由体
如果q表示环形每个单元长度的统一放射负载量，Rc就是环形的半径，那Qc d就是作用于此环上被两个呈放射状交叉部分所切断的要素上的力量，此处d就是与这个要素所对应的角度。集合垂直方向所有的作用于此半环的力量成分，就会得到下面的平衡等式

从而得到 Tu=qRc
这里的压力经常被认为是铁环的压力。
在一个螺旋形单元中，内部外侧混凝土的扩张施压于单元本身产生挤压，这挤压反过来引起了对核心混凝土的限制性压力，结果反而增加了核心区域的强大和延展性。这也正是为什么第二十一章的地震设计中的AC1318，需要横梁，圆柱和在修剪的墙的末端装有铁环以备的发生挤压时发挥它的加固作用。铁环是紧密间隔排列的封闭束缚或持续性的转动束缚或螺旋形，其末端装有呈135度角的钩，通常被称为地震钩有6个闩（内部不多于三个）。这些铁环必须装在纵向的加固上并给被纵行束缚所需要的闩提供外侧支撑。虽然铁环可以是圆形的，但在绝大多数请款下他们是矩形的因为大部分横梁和圆柱都有矩形的交叉部分。除了限制核心混凝土，这些铁环还保证了纵向闩的衔接并起到了辅助加固的作用。钢筋混凝土以限制铁环为框架，符合第二十一章ACI318-05/08关于延展性的细节要求并能达到歪曲延展性超过5和修剪墙接近4的标准，相较于常规非延展性钢筋混凝土框架的1~2.
1.1.2 延展性
讨论钢筋混凝土延展性的最好的一个例子就是图1.4所示的框架-横梁图。框架-横梁这个术语指的是被设计为侧面系统一部分的一个横梁。否则它仅仅就指一个重力横梁。
当被地震的地面动态所主宰时，这个框架就会前后摇晃结果导致弯曲的弯曲的裂缝出现在横梁上。这些裂缝交替的张开又闭合由于负载量的反转和接下来几轮的负重，这个横梁就像图1.4所示。由于前后的侧面歪斜，横梁的两端被分割成一系列的混凝土块呗钢筋笼子固定在一起。
如果横梁整体都被损坏，切变就通过裂缝以纵向加固木钉的行为而转移了并造成了裂缝周围完全的摩擦。在加固外部的混凝土压坏之后，纵向的闩除了被紧密间隔排列的马镫或铁圈压紧的情况之外都会歪曲。铁箍也为核心的混凝土提供限制并增加它的延展性。
延展性就是普通的术语，用来描述结构的能力或它的组成成分在非弹性领域提供对抗的反应。它包括保持大毁坏的能力和吸收歇斯底里行为的能量的能力，这些特征是一栋建筑物在一次大地震发生时和之后得以幸存的关键。这种保持一个建筑物抵抗力高比例的能力从而确保其幸存特别是在一次毁灭性的大地震产生巨大的破坏力的时候，是处于地震活跃地区的建筑设计者努力探索的最为重要的一个特征。
至于延展性的限制方面，例如

u的换置，典型的符合了强度退化的指定性界限。即使在达到这个界限之后，有时被定义为“失败”，重要的附加的非弹性毁坏仍是可能发生但不会造成结构上的崩塌。易碎的失败，从另一个角度来看，显示出接近崩溃的抵抗力失去，经常是在没有有效警示的前提下整理的瓦解。由于这些原因，易碎的失败是建筑物在地震中倒塌的压倒性原因，而因此造成人员伤亡必须避免。
图1.4 循环负重的框架横梁结构 （a）由-M造成的裂缝(b)由+M造成的裂缝
图1.5 延展性模型。建筑结构在非弹性领域提供抵抗力的能力被叫做“延展性”。上文中的三角形表示的是延展性在指定界限的强度退化基础上限制。
延展性是这样被定义的，所有被强加的换置的△△在任意时刻与开始产量△y的比例，从图1.5我们得到
延展性还可以就拉紧，歪曲，循环或歪斜来定义。在决定所需的地震抵抗力时的一个重要考量就是在发生晃动时要求的最大估计延展性，Um=△m/△y不能超过潜在延展性Uu.
在结构工程学中，硬度和强度成分所扮演的角色，以及它们的定量比率被很好的解读。然而，定量比率和延展性概念作为一个设计工具的利用却没有得到应有的理解。因为这个原因，许多关于延展性结构的反应和它在地震设计方面的申请在此书随后的章节中会进行许多细节上细致的探讨和研究。
只有在构成的原料本身具有延展性的前提下，结构成分的延展性才能得以发展。混凝土是一种与生俱来的易碎材料，尽管它的可伸长强度不可作为抵抗力的主要来源，但它却能出色的承载挤压和压力。然而，在挤压过程中产生的最大压力却仅限不足0.003，除非采用特殊的预防措施。因此，地震混凝土的细节设计的主要目的是结合温和的钢加固与混凝土于一体，通过这种方式来产生延展性成分有能力满足大地震所造成的非弹性毁坏的需求。
1.1.3 滞后
当一个结构能够在所设计承受的等级地震发生时不产生显著的强度毁坏并做出非弹性反应时，一般意思上就是被定义为每隔2500年才发生一次的事件，那么它就被认为具有延展性。观察所谓的延展性必须考量整个地震发生的始末，可能意味着在每个方向上的许多非弹性远足。
图1.6 滞后回线 （a）理想化的弹性回线(b)详细的横梁枢纽回线
完美的延展性是以理想化的弹性或完美的可塑性为定义的（经常也被称为弹性可塑性）如图1.6所展示的模型，描绘的就是在多数中心发生的力量对决换置的典型反应。这种曲线被定义为“滞后回线”。
如图1.6所显示的结构反应是一个结构理想化状态，在现实世界中很少或根本不可能实现。钢筋混凝土更典型的滞后回线如图1.6b所示。在钢筋混凝土结构中，当横梁发生非弹性毁坏时理想化的情况是其集中于可塑性枢纽上。，比邻柱体的表面。在非理想情况下，图1.6所示的滞后回线类型能象征性的提供大约一个同等弹性可塑回线70%~80%的能量吸收量。当能量在位于柱体的塑料枢纽中消散时，回线便向理想化的弹性形状的相反方向渐行渐远也意味着更少的能量吸收。
妥善明细的钢筋混凝土结构要素呈现出可靠的延展性行为，虽然所具有的滞后的回线有别于弹性回线。然而所有的回线都必要的表现了延展性行为，在其中它们并未显示出过度的能量退化和逐渐增加的换置或连续循环至相同的歪斜。这里应该注意的是位于回线中的是测量能在塑料枢纽中消散的能量的一种方法。滞后回线的丰富始终被认为是一个积极的属性。它需要多丰富才能达到对建筑反应所要求的控制？目前（2009），确切的答案还不存在，但是人们还是相信可观的在建筑反应方面的改进会发生，前提是合理的能量和强度等级能达到保证。
1.1.4 多余度
特别是处在地震设计种类C及以上的建筑，使侧面负载系统保持一定程度的多余度是非常重要的。
这个地震设计种类在第五章将会进行长篇幅的讨论，与其他要求一起成立，不同结构系统的能量吸收能力。六个地震设计种类（从A到F）被分配给ASCE7-05中的建筑，A代表最低等级而F则是最严重的。
一个建筑物的多余度代表着它拥有不止一种应对外侧力量的途径。例如多余度能通过拥有一个时刻抵抗力的框架来实现，而这个框架是由许多具有延展联系的柱子和横梁组成的，或拥有一个双重的系统，例如墙加上一个时刻抵抗框架。
1.1.5 细节设计
细节设计在整个设计过程中这样被结合起来的，设计师要确保建筑的每个部分都能在使用负载的情况下和当被挑选在主要地区时去适应发强度的非弹性毁坏。因此细节设计基于结构行为感觉的一种理解，适当的考虑到了建设活动中的限制是结构设计不仅成为了一门科学，更升华为一种艺术。

1.2 钢筋混凝土要素的行为
在前面的章节我们讨论了地震设计的几个方面限制，延展性和滞后行为。然而应该被记住的是建于美国的绝大多数建筑物都被分配到了比较低的地震设计种类，A或是B，这些建筑并不需要太多的延展性细节设计。由第一章ACI318-05/08 20和22给出的设计准备被认为很适合这种建筑物的设计。有了这个概念，我们以普通的术语来回顾一下钢筋混凝土要素面对外界负载时的基本行为，例如地震的负荷。
l 张力（在1.2.1部分予以讨论）
l 压缩（在1.2.2部分予以讨论）
l 弯曲 (在1.2.3部分予以讨论)
l 切力（在1.2.4部分予以讨论）
l 滑动切力（完全摩擦）（在部分1.2.5予以讨论）
l 打孔切力（在1.2.6部分予以讨论）
l 扭力(在1.2.7部分予以讨论)
￠
张力加压力与伸展的份子。混凝土没有可靠的张力强度。对于铸型岩石来说应压力强而张力和切力弱是十分重要的。塑入混凝土的软铁加固提供了纵向的张力与此同时闭合的束缚和马登铁提供限制和切力抵抗力。充足的加固的混入可以额外的提供适当针对地震抵抗力的强度，确保钢筋混凝土展示出延展性的特质。
钢筋混凝土成分中的直接张力并不像想象中那样稀少。考虑，例如图1.7所示的转移系统目的是在内华达州的拉斯维加斯建造一个高密度的度假胜地和赌场。这个系统打算把重力负载从一个典型内部主体结构的多层住宅高楼中转移出去。这个高楼采用了一个典型的后张预应力金属板构造在其中纵向方向的中心上间隔排列30自然箱量的柱体。使高楼的内部结构直至地基都得到延伸将会打乱客观数量的惯例，会议，零售和处于矮墙中的赌场空间。这个解决措施是为了制造一个钢筋混凝土移动束缚如图1.8所示的于1.10对位于移动梁的下方的柱体给出了三个选择。
另一个承受直接张力的钢筋混凝土成分的例子是一个被分析的横梁，使用抗压材束缚模型（见图1.11）。注意软铁加固作为束缚被计算包含强度减少因素￠=0.75，与典型用于张力控制设计的￠=0.9 正好相反。
1.2.2 压缩
压缩力量施压于部件并能导致材料的毁坏，这种情况会在部件很小且相对平坦的情况下发生。在介于横梁和柱体的轴承表面，粉碎也能发生。这类的粉碎失败经常会以局部裂开的混凝土给出警告和其他一些可见的变化。当细长的份子担负进压缩时，它们会突然的弯曲变形。这类型的失败必须避免。
图1.7 移动束缚中的张力份子。注意: 纵行C并没有被要求进束缚行为而只是建议。
1.2.3 弯曲
弯曲力量通常是由垂直方向上应用于地面平板和横梁的负载所致。弯曲造成简易横梁的底部变的伸展处于紧绷状态，横梁的上方被挤在一块处于压缩状态。持续横梁和悬臂横梁在顶部都有张力，在底部接近支撑的部位有压缩。无论简易横梁或平板这些力量都处于相同的位置。
垂直方向上的的开裂在混凝土的正中心附近发展起来，因为张力引起混凝土开裂（见图1。2）。张力区域的安装加固铁是为了抵抗整体的张力。这种张力开裂可以在处于危险的建筑物上观察到，可以被用来检测和决定倒塌的潜在可能性。诚然，细微的开裂是很正常的但扩散的开裂预示着即将到来的失败。正如前文所述，钢筋混凝土的时刻抵抗框架中的横梁可能轮流的经历张力和压缩压力，这取决于地震期间的压力翻转。
1.2.3.1 横梁设计的大拇指规则
拇指原则自从人类开始建造建筑物就已存在。随着时间的推移，这些规则根据建筑实践不断的得到精炼。其中一个目前工程师使用十分广泛的拇指原则被用来决定混凝土建筑物中的横梁深度，如下：对于横梁全长的每尺来说，把75%的部分用作深度。因此，一个30自然箱量全长的横梁将会拥有一个0.75乘30=22.5的深度，说成22进，一个40自然箱量径距则是0.75乘40=30进。
图1.11 支柱束缚模型中的张力成份。注意：能力减少因数，ð=0.75
图1.12弯曲部分的裂缝形成，垂直方向上的裂缝可能在半径长处形成，稳定细微的裂痕是正常的但是扩大的裂缝表明即将到来的失败。
这里还存在另一个容易记住的规则来决定横梁上弯曲加固的位置