結構延性與抗震設

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一、結構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，使建筑物的基礎和上部結構產(chǎn)生不規(guī)則的往復振動和激烈的變形。結構在地震時發(fā)生的相應運動稱為地震反應，包括位移、速度、加速度。同時，結構內(nèi)部發(fā)生很大的內(nèi)力（應力）和變形，當它們超過了材料和構件的各項極限值后，結構將出現(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，碎塊或構件墜落，整體結構傾斜，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構強烈反應和破壞的主要因素。鋼筋混凝土結構在地震作用下受力性能的主要特點有：

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

　　2、屈服后的工作階段——當發(fā)生的地震達到或超出設防烈度時，按照我國現(xiàn)行規(guī)范的設計原則和方法，鋼筋混凝土結構一般都將出現(xiàn)不同程度的損傷。構件和節(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；構件表面局部破損剝落等。但結構不致倒塌。

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

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

　　二、單調荷載下的延性

　　1、材料、構件或結構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、塑性應變之后在硬化充分發(fā)展后軟化；而另一條在達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構的脆性或延性有重大的意義，可從延性結構的優(yōu)越性加以說明：

　?。?）破壞前有明顯預兆，破壞過程緩慢，因而可采用偏小的計算安全可靠度。

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

　?。?）有利于實現(xiàn)超靜定結構的內(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。

　?。?）延性結構的后期變形能力，可以作為各種意外情況時的安全儲備。

　　2.延性指標

　　在利用延性特性設計抗震結構時，首先必須確定度量延性的量化指標。衡量結構和材料的延性一般用延性系數(shù)，其定義為：在保持結構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：

　　當廣義變形D定義為具體物理量時，就有相應的延性系數(shù)，如截面曲率延性系數(shù)^／P＼構件或結構的位移延性系數(shù)B、轉角延性系數(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)通常用于反映構件臨界截面的相對延性，位移延性系數(shù)則用于反映構件局部或結構整體的相對延性。

　　一般認為鋼筋混凝土抗震結構要求的延性系數(shù)為B=3-4.

　　三、延性在抗震設計中的重要性及其作用

　　在我國現(xiàn)在的多高層建筑中，鋼筋混凝土結構應用最為普遍，其中鋼筋混凝土框架結構是最常用的結構形式。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防地區(qū)。鋼筋混凝土框架結構具有良好的抗震性能，然而未經(jīng)合理設計的框架結構會在地震作用下產(chǎn)生較嚴重的震害。結構抗震的本質就是延性， 延性是指構件和結構屈服后，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，構件最終破壞。從受拉鋼筋屈服到壓區(qū)混凝土壓碎，是構件的破壞過程。在這過程中，構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。是鋼筋砼受彎構件的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構抗震潛力，增強結構抗倒塌能力。延性結構通過塑性鉸區(qū)域的變形，能夠有效地吸收和耗散地震能量；同時，這種變形降低了結構的剛度，致使結構在地震作用下的反應減小，也就是使地震對結構的作用力減小。當結構設計成為延性結構時，由于塑性變形可以耗散地震能量，結構變形雖然會加大，但結構承受的地震作用不會很快上升，內(nèi)力也不會再加大，因此具有延性的結構可降低對結構的承載力要求，也可以說，延性結構是用它的變形能力來抵抗罕遇地震作用；反之，如果結構的延性不好，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構，延性結構是一種經(jīng)濟的設計對策。此外，延性可以使超靜定結構的內(nèi)力得以充分重分布，采用塑性內(nèi)力重分布方法設計時，同樣也可以節(jié)約鋼筋用量，取得較好的經(jīng)濟效果。因此可以說結構的延性和結構的強度是同等重要的。延性好的結構的破壞我們稱之為塑性破壞，延性差的結構的破壞我們稱之為脆性破壞，塑性破壞能提前給人以預兆，是符合結構設計理論的。

　　結構延性在抗震中之所以如此重要，是因為結構延性具有如下作用 .

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　　由于鋼筋混凝土結構或構件的脆性破壞是突發(fā)性的，沒有預兆，所以為了保障人們生命財產(chǎn)安全，除了對構件發(fā)生脆性破壞時的可靠指標有較高要求以外，還要保證結構或構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

　　結構在使用過程中可能會承受設計中未考慮到的偶然因素的作用，比如說，偶然的超載、基礎的不均勻沉降、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構中產(chǎn)生內(nèi)力和變形，而延性結構的變形能力，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

　　延性結構容許構件的某些臨界截面有一定的轉動能力，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構能夠按塑性方法進行設計，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、有利于結構抗震

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

　　四、影響結構延性的主要因素

　　框架結構是由梁、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構的延性。因此，只要保證柱、梁和節(jié)點的延性也就保證的框架結構的延性，從而也就確保了框架結構的抗震能力。

　　1、影響梁延性的主要因素：梁是框架結構中的主要受力構件之一，在抗震設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：

　?、?、梁截面尺寸。在地震作用下，梁端塑性鉸區(qū)混凝土保護層容易剝落，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。試驗表明，當梁縱向受拉鋼筋配筋率很高時，在彎矩達到最大值時，彎矩——曲率曲線很快出現(xiàn)下降；當配筋率較低時，彎矩達到最大值后能保持相當長的水平段，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構的承載力，低地震力方案主要保證結構的延性。實際震害表明，這三種方案，從抗震效果和經(jīng)濟性來看，都能達到設防目標。我國的抗震設計采用的是方案（3）即較低地震力——較高延性方案，即采用明顯小于設防烈度的小震地面運動加速度來確定結構的設計地震作用，并將它與其他荷載內(nèi)力進行組合，進行截面設計，通過鋼筋混凝土結構在屈服后的地震反應過程中形成較為有利的耗能機構，使結構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。當然，我們還要看到一點，雖然這三個方案都能保證“大震不倒”，但是在改善結構在中小地震下的性態(tài)方面，方案（3）僅僅提高結構的延性水平而結構的屈服水準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。