淺談結(jié)構(gòu)延性對抗震設計的重要性

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增強結(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)應設計成延性結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)主要靠延性來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)的強度具有同等重要的意義。地震力降低系數(shù)對設防烈度地震作用的整體降低實際上決定了結(jié)構(gòu)的屈服水準和對結(jié)構(gòu)延性需求的大小。目前，能力設計法已為各國普遍接受，通過能力設計法，形成合理的耗能機制，使塑性鉸出現(xiàn)在延性易于保證的部位；確保結(jié)構(gòu)在未達到所需要的延性前不至于發(fā)生剪切失效；并通過細部構(gòu)造措施來保證延性的充分發(fā)揮。

關鍵詞：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 　　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(jié)構(gòu)產(chǎn)生不規(guī)則的往復振動和激烈的變形。結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(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。地震時結(jié)構(gòu)上作用的“荷載”是結(jié)構(gòu)反應加速度和質(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(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”低周的反復作用——地震時結(jié)構(gòu)在水平方向的往復振動，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，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：  　　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： 　　(1)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。 　　(2)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。 (3)有利于實現(xiàn)超靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力充分重分布。 　　(4)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。 　　(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 　　在利用延性特性設計抗震結(jié)構(gòu)時，首先必須確定度量延性的量化指標。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(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、延性在抗震設計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)合理設計的框架結(jié)構(gòu)會在地震作用下產(chǎn)生較嚴重的震害。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減小,也就是使地震對結(jié)構(gòu)的作用力減小。當結(jié)構(gòu)設計成為延性結(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)濟的設計對策。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(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兆，是符合結(jié)構(gòu)設計理論的。  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。 　?、凇⒊惺苣承┡既灰蛩氐淖饔?　　結(jié)構(gòu)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(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。 　　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(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。