結(jié)構(gòu)延性與抗震設(shè)

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一、結(jié)構(gòu)在地震下的主要特點

　　地震以波的形式從震源（地面上的相對位置稱震中）向周圍快速傳播，通過巖土和地基，使建筑物的基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不規(guī)則的往復(fù)振動和激烈的變形。結(jié)構(gòu)在地震時發(fā)生的相應(yīng)運動稱為地震反應(yīng)，包括位移、速度、加速度。同時，結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生很大的內(nèi)力（應(yīng)力）和變形，當(dāng)它們超過了材料和構(gòu)件的各項極限值后，結(jié)構(gòu)將出現(xiàn)各種不同程度的破壞現(xiàn)象，例如混凝土裂縫，鋼筋屈服，顯著的殘余變形，局部的破損，碎塊或構(gòu)件墜落，整體結(jié)構(gòu)傾斜，甚至倒塌等等。

　　在震中區(qū)附近，地面運動的垂直方向振動激烈，且頻率高，水平方向振動較弱；距震中較遠(yuǎn)處，垂直方向的振動衰減快，其加速度峰值約為水平方向加速度峰值的1／2～1／3.因此，對地震區(qū)的大部分建筑而言，水平方向的振動是引起結(jié)構(gòu)強烈反應(yīng)和破壞的主要因素。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在地震作用下受力性能的主要特點有：

　　1、結(jié)構(gòu)的抗震能力和安全性，不僅取決于構(gòu)件的（靜）承載力，還在很大程度上取決于其變形性能和動力響應(yīng)。地震時結(jié)構(gòu)上作用的“荷載”是結(jié)構(gòu)反應(yīng)加速度和質(zhì)量引起的慣性力，它不像靜荷載那樣具有確定的數(shù)值。變形較大，延性好的結(jié)構(gòu)，能夠耗散更多的地震能量，地震的反應(yīng)就減小，“荷載”小，町能損傷輕而更為安全。相反，靜承載力大的結(jié)構(gòu)，可能因為剛度大、重量大、延性差而招致更嚴(yán)重的破壞。

　　2、屈服后的工作階段——當(dāng)發(fā)生的地震達(dá)到或超出設(shè)防烈度時，按照我國現(xiàn)行規(guī)范的設(shè)計原則和方法，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)一般都將出現(xiàn)不同程度的損傷。構(gòu)件和節(jié)點受力較大處普遍出現(xiàn)裂縫，有些寬度較大；部分受拉鋼筋屈服，有殘余變形；構(gòu)件表面局部破損剝落等。但結(jié)構(gòu)不致倒塌。

　　3、“荷載”低周的反復(fù)作用——地震時結(jié)構(gòu)在水平方向的往復(fù)振動，使結(jié)構(gòu)的內(nèi)力（主要是彎矩和剪力，有時也有軸力）發(fā)生正負(fù)交變。由于地震的時間不長且結(jié)構(gòu)具有阻尼，荷載交變的反復(fù)次數(shù)不多（即低周）。所以，必須研究鋼筋混凝土構(gòu)件在低周交變荷載作用下的滯回特征。

　　4、變形大——地震時結(jié)構(gòu)有很大變形。例如橋墩的側(cè)向位移等。一方面對結(jié)構(gòu)本身產(chǎn)生不利影響，如柱的二階（P—A）效應(yīng)，增大附加彎矩，甚至引起失穩(wěn)或傾覆，構(gòu)造縫相鄰結(jié)構(gòu)的碰撞等；另一方面造成非結(jié)構(gòu)部件的破損，橋梁上部結(jié)構(gòu)的脫落等破壞。故抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計時要控制其總變形。

　　二、單調(diào)荷載下的延性

　　1、材料、構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的延性通常定義為在初始強度沒有明顯退化情況下的非彈性變形的能力。它包括兩個方面的能力：

　?。?）承受較大的非彈性變形，同時強度沒有明顯下降的能力。

　?。?）利用滯回特性吸收能量的能力。

　　圖10-1的廣義力一變形（9—D）曲線可以概括地說明延性的概念。其中一條曲線在經(jīng)過彈性變形、塑性應(yīng)變之后在硬化充分發(fā)展后軟化；而另一條在達(dá)到其承載能力之后沒有或幾乎沒有硬化過程而直接軟化，有明顯的尖峰。前者稱為延性而后者稱為脆性。

　　在實際工程中判斷結(jié)構(gòu)的脆性或延性有重大的意義，可從延性結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性加以說明：

　?。?）破壞前有明顯預(yù)兆，破壞過程緩慢，因而可采用偏小的計算安全可靠度。

　?。?）出現(xiàn)非預(yù)計荷載，例如偶然超載，荷載反向，溫度升高或基礎(chǔ)沉降引起附加內(nèi)力等情況下，有較強的承受和抗衡能力。

　?。?）有利于實現(xiàn)超靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力充分重分布。

　?。?）在承受動力作用（如振動、地震、爆炸等）情況下，能減小慣性力，吸收更大動能，減輕破壞程度，有利于修復(fù)。

　　（5）延性結(jié)構(gòu)的后期變形能力，可以作為各種意外情況時的安全儲備。

　　2.延性指標(biāo)

　　在利用延性特性設(shè)計抗震結(jié)構(gòu)時，首先必須確定度量延性的量化指標(biāo)。衡量結(jié)構(gòu)和材料的延性一般用延性系數(shù)，其定義為：在保持結(jié)構(gòu)或材料的基本承載能力的情況下，極限變形0u和初始屈服變形D，的比值，即：

　　當(dāng)廣義變形D定義為具體物理量時，就有相應(yīng)的延性系數(shù)，如截面曲率延性系數(shù)^／P＼構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的位移延性系數(shù)B、轉(zhuǎn)角延性系數(shù)B等，則：

　　最常用的是曲率延性系數(shù)（也稱曲率延性比）和位移延性系數(shù)（也稱位移延性比）。曲率延性系數(shù)通常用于反映構(gòu)件臨界截面的相對延性，位移延性系數(shù)則用于反映構(gòu)件局部或結(jié)構(gòu)整體的相對延性。

　　一般認(rèn)為鋼筋混凝土抗震結(jié)構(gòu)要求的延性系數(shù)為B=3-4.

　　三、延性在抗震設(shè)計中的重要性及其作用

　　在我國現(xiàn)在的多高層建筑中，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用最為普遍，其中鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)是最常用的結(jié)構(gòu)形式。因為其具有足夠的強度、良好的延性和較強的整體性，目前廣泛用于地震設(shè)防地區(qū)。鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，然而未經(jīng)合理設(shè)計的框架結(jié)構(gòu)會在地震作用下產(chǎn)生較嚴(yán)重的震害。結(jié)構(gòu)抗震的本質(zhì)就是延性， 延性是指構(gòu)件和結(jié)構(gòu)屈服后，在承載能力不降低或基本不降低的情況下，具有足夠塑性變形能力的一種性能，一般用延性比來表示。對于受彎構(gòu)件來說，隨著荷載增加，首先受拉區(qū)混凝土出現(xiàn)裂縫，表現(xiàn)出非彈性變形。然后受拉鋼筋屈服，受壓區(qū)高度減小，受壓區(qū)混凝土壓碎，構(gòu)件最終破壞。從受拉鋼筋屈服到壓區(qū)混凝土壓碎，是構(gòu)件的破壞過程。在這過程中，構(gòu)件的承載能力沒有多大變化，但其變形的大小卻決定了破壞的性質(zhì)。是鋼筋砼受彎構(gòu)件的M—Δ（Φ） 曲線，Δy 是屈服變形，Δu 是極限變形。提高延性可以增加結(jié)構(gòu)抗震潛力，增強結(jié)構(gòu)抗倒塌能力。延性結(jié)構(gòu)通過塑性鉸區(qū)域的變形，能夠有效地吸收和耗散地震能量；同時，這種變形降低了結(jié)構(gòu)的剛度，致使結(jié)構(gòu)在地震作用下的反應(yīng)減小，也就是使地震對結(jié)構(gòu)的作用力減小。當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計成為延性結(jié)構(gòu)時，由于塑性變形可以耗散地震能量，結(jié)構(gòu)變形雖然會加大，但結(jié)構(gòu)承受的地震作用不會很快上升，內(nèi)力也不會再加大，因此具有延性的結(jié)構(gòu)可降低對結(jié)構(gòu)的承載力要求，也可以說，延性結(jié)構(gòu)是用它的變形能力來抵抗罕遇地震作用；反之，如果結(jié)構(gòu)的延性不好，則必須有足夠大的承載力抵抗地震。后者會多用材料，對于地震發(fā)生概率極少的抗震結(jié)構(gòu)，延性結(jié)構(gòu)是一種經(jīng)濟(jì)的設(shè)計對策。此外，延性可以使超靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力得以充分重分布，采用塑性內(nèi)力重分布方法設(shè)計時，同樣也可以節(jié)約鋼筋用量，取得較好的經(jīng)濟(jì)效果。因此可以說結(jié)構(gòu)的延性和結(jié)構(gòu)的強度是同等重要的。延性好的結(jié)構(gòu)的破壞我們稱之為塑性破壞，延性差的結(jié)構(gòu)的破壞我們稱之為脆性破壞，塑性破壞能提前給人以預(yù)兆，是符合結(jié)構(gòu)設(shè)計理論的。

　　結(jié)構(gòu)延性在抗震中之所以如此重要，是因為結(jié)構(gòu)延性具有如下作用 .

　?、?、防止脆性破壞

　　由于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的脆性破壞是突發(fā)性的，沒有預(yù)兆，所以為了保障人們生命財產(chǎn)安全，除了對構(gòu)件發(fā)生脆性破壞時的可靠指標(biāo)有較高要求以外，還要保證結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在破壞前有足夠的變形能力。

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　　結(jié)構(gòu)在使用過程中可能會承受設(shè)計中未考慮到的偶然因素的作用，比如說，偶然的超載、基礎(chǔ)的不均勻沉降、溫度變化和收縮作用引起的體積變化等。這些偶然因素會在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生內(nèi)力和變形，而延性結(jié)構(gòu)的變形能力，則可作為發(fā)生意外情況時內(nèi)力和變形的安全儲備。

　?、?、實現(xiàn)塑性內(nèi)力重分布

　　延性結(jié)構(gòu)容許構(gòu)件的某些臨界截面有一定的轉(zhuǎn)動能力，形成塑性鉸區(qū)域，產(chǎn)生內(nèi)力重分布，從而使鋼筋混凝土超靜定結(jié)構(gòu)能夠按塑性方法進(jìn)行設(shè)計，得到有利的彎矩分布，使配筋合理，節(jié)約材料，而且便于施工。

　　④、有利于結(jié)構(gòu)抗震

　　在地震作用下，延性結(jié)構(gòu)通過塑性鉸區(qū)域的變形，能夠有效地吸收和耗散地震能量，同時，這種變形降低了結(jié)構(gòu)的剛度，致使結(jié)構(gòu)在地震作用下的反應(yīng)減小，也就是使地震對結(jié)構(gòu)的作用力減小，因此，延性結(jié)構(gòu)具有較強的抗震能力。

　　四、影響結(jié)構(gòu)延性的主要因素

　　框架結(jié)構(gòu)是由梁、板、柱以及節(jié)點這四部分組成，其中梁、柱以及節(jié)點的延性決定了整個框架結(jié)構(gòu)的延性。因此，只要保證柱、梁和節(jié)點的延性也就保證的框架結(jié)構(gòu)的延性，從而也就確保了框架結(jié)構(gòu)的抗震能力。

　　1、影響梁延性的主要因素：梁是框架結(jié)構(gòu)中的主要受力構(gòu)件之一，在抗震設(shè)計中要求塑性鉸首出現(xiàn)在梁端且其又不能發(fā)生剪切破壞，同時還要防止由于梁筋屈服滲入節(jié)點而影響節(jié)點核心區(qū)的性能。試驗和理論分析表明，影響梁截面延性的主要因素有：

　　①、梁截面尺寸。在地震作用下，梁端塑性鉸區(qū)混凝土保護(hù)層容易剝落，故梁截面寬度過小則截面損失比例較大，所以一般框架梁寬度不宜小于200mm.同時為了提高節(jié)點剪力、避免梁側(cè)向失穩(wěn)及確定梁塑性鉸區(qū)發(fā)展范圍，分別要求梁寬不宜小于柱寬的1/2、梁的高寬比不宜大于4、梁的跨高比不宜小于4.

　?、凇⒘嚎v筋配筋率。試驗表明，當(dāng)梁縱向受拉鋼筋配筋率很高時，在彎矩達(dá)到最大值時，彎矩——曲率曲線很快出現(xiàn)下降；當(dāng)配筋率較低時，彎矩達(dá)到最大值后能保持相當(dāng)長的水平段，因而大大提高了梁的延性和耗散能量的能力。

　　國外一般有如下三種設(shè)計方案：（1）較高地震力——較低延性方案；（2）中等地震力——中等延性方案；（3）較低地震力——較高延性方案。高地震力方案主要保證結(jié)構(gòu)的承載力，低地震力方案主要保證結(jié)構(gòu)的延性。實際震害表明，這三種方案，從抗震效果和經(jīng)濟(jì)性來看，都能達(dá)到設(shè)防目標(biāo)。我國的抗震設(shè)計采用的是方案（3）即較低地震力——較高延性方案，即采用明顯小于設(shè)防烈度的小震地面運動加速度來確定結(jié)構(gòu)的設(shè)計地震作用，并將它與其他荷載內(nèi)力進(jìn)行組合，進(jìn)行截面設(shè)計，通過鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在屈服后的地震反應(yīng)過程中形成較為有利的耗能機構(gòu)，使結(jié)構(gòu)主要的耗能部位具有良好的屈服后變形能力來實現(xiàn)“大震不倒”的目標(biāo)。當(dāng)然，我們還要看到一點，雖然這三個方案都能保證“大震不倒”，但是在改善結(jié)構(gòu)在中小地震下的性態(tài)方面，方案（3）僅僅提高結(jié)構(gòu)的延性水平而結(jié)構(gòu)的屈服水準(zhǔn)并沒有明顯提高是明顯不如方案（1）和（2）的。也就是說，在保證“小震不壞，中震可修”方面，方案（1）和（2）是優(yōu)于方案（3）的。