淺談結(jié)構(gòu)延性對(duì)抗震設(shè)計(jì)的重要性

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增強(qiáng)結(jié)構(gòu)延性是提高建筑抗震性能的重要措施，所以地震區(qū)的建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)成延性結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)主要靠延性來(lái)抵抗較大地震作用下的非彈性變形，因此，地震作用下，結(jié)構(gòu)的延性與結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度具有同等重要的意義。地震力降低系數(shù)對(duì)設(shè)防烈度地震作用的整體降低實(shí)際上決定了結(jié)構(gòu)的屈服水準(zhǔn)和對(duì)結(jié)構(gòu)延性需求的大小。目前，能力設(shè)計(jì)法已為各國(guó)普遍接受，通過(guò)能力設(shè)計(jì)法，形成合理的耗能機(jī)制，使塑性鉸出現(xiàn)在延性易于保證的部位；確保結(jié)構(gòu)在未達(dá)到所需要的延性前不至于發(fā)生剪切失效；并通過(guò)細(xì)部構(gòu)造措施來(lái)保證延性的充分發(fā)揮。

關(guān)鍵詞：延性   抗震性能   非彈性變形   剪切失效 　　一、結(jié)構(gòu)在地震下的主要特點(diǎn) 　　地震以波的形式從震源(地面上的相對(duì)位置稱震中)向周圍快速傳播，通過(guò)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(dòng)和激烈的變形。結(jié)構(gòu)在地震時(shí)發(fā)生的相應(yīng)運(yùn)動(dòng)稱為地震反應(yīng)，包括位移、速度、加速度。同時(shí)，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(guò)了材料和構(gòu)件的各項(xiàng)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(yùn)動(dòng)的垂直方向振動(dòng)激烈，且頻率高，水平方向振動(dòng)較弱；距震中較遠(yuǎn)處，垂直方向的振動(dòng)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(duì)地震區(qū)的大部分建筑而言，水平方向的振動(dòng)是引起結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(diǎn)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(dòng)力響應(yīng)。地震時(shí)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?yàn)閯偠却蟆⒅亓看?、延性差而招致更?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(shí)，按照我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范的設(shè)計(jì)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(diǎn)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(shí)結(jié)構(gòu)在水平方向的往復(fù)振動(dòng)，使結(jié)構(gòu)的內(nèi)力(主要是彎矩和剪力，有時(shí)也有軸力)發(fā)生正負(fù)交變。由于地震的時(shí)間不長(zhǎng)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(shí)結(jié)構(gòu)有很大變形。例如橋墩的側(cè)向位移等。一方面對(duì)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(jì)時(shí)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(qiáng)度沒(méi)有明顯退化情況下的非彈性變形的能力。它包括兩個(gè)方面的能力：  　　在實(shí)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(shuō)明： 　　(1)破壞前有明顯預(yù)兆，破壞過(guò)程緩慢，因而可采用偏小的計(jì)算安全可靠度。 　　(2)出現(xiàn)非預(yù)計(jì)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(qiáng)的承受和抗衡能力。 (3)有利于實(shí)現(xiàn)超靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力充分重分布。 　　(4)在承受動(dòng)力作用(如振動(dòng)、地震、爆炸等)情況下，能減小慣性力，吸收更大動(dòng)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(shí)的安全儲(chǔ)備。 　　2．延性指標(biāo) 　　在利用延性特性設(shè)計(jì)抗震結(jié)構(gòu)時(shí)，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(shí)，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(duì)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(duì)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(jì)中的重要性及其作用 　  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(jì)的框架結(jié)構(gòu)會(huì)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(lái)表示。對(duì)于受彎構(gòu)件來(lái)說(shuō),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(guò)程。在這過(guò)程中,構(gòu)件的承載能力沒(méi)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(qiáng)結(jié)構(gòu)抗倒塌能力。延性結(jié)構(gòu)通過(guò)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(shí),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(duì)結(jié)構(gòu)的作用力減小。當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為延性結(jié)構(gòu)時(shí),由于塑性變形可以耗散地震能量,結(jié)構(gòu)變形雖然會(huì)加大，但結(jié)構(gòu)承受的地震作用不會(huì)很快上升,內(nèi)力也不會(huì)再加大，因此具有延性的結(jié)構(gòu)可降低對(duì)結(jié)構(gòu)的承載力要求，也可以說(shuō)，延性結(jié)構(gòu)是用它的變形能力來(lái)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(huì)多用材料，對(duì)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(jì)對(duì)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(jì)時(shí),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(shuō)結(jié)構(gòu)的延性和結(jié)構(gòu)的強(qiáng)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(jì)理論的。  結(jié)構(gòu)延性在抗震中之所以如此重要，是因?yàn)榻Y(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(méi)有預(yù)兆，所以為了保障人們生命財(cái)產(chǎn)安全，除了對(duì)構(gòu)件發(fā)生脆性破壞時(shí)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。 　　②、承受某些偶然因素的作用 　　結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中可能會(huì)承受設(shè)計(jì)中未考慮到的偶然因素的作用，比如說(shuō)，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(huì)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(shí)內(nèi)力和變形的安全儲(chǔ)備。 　?、?、實(shí)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(dòng)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(jì)，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。 　　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(diǎn)這四部分組成，其中梁、柱以及節(jié)點(diǎn)的延性決定了整個(gè)框架結(jié)構(gòu)的延性。因此，只要保證柱、梁和節(jié)點(diǎn)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(jì)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(shí)還要防止由于梁筋屈服滲入節(jié)點(diǎn)而影響節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的性能。試驗(yàn)和理論分析表明，影響梁截面延性的主要因素有： 　?、?、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(guò)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(shí)為了提高節(jié)點(diǎn)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。 　?、?、梁縱筋配筋率。試驗(yàn)表明，當(dāng)梁縱向受拉鋼筋配筋率很高時(shí)，在彎矩達(dá)到最大值時(shí)，彎矩——曲率曲線很快出現(xiàn)下降；當(dāng)配筋率較低時(shí)，彎矩達(dá)到最大值后能保持相當(dāng)長(zhǎng)的水平段，因而大大提高了梁的延性和耗散能量的能力。