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結(jié)構(gòu)延性與抗震設(shè)計(jì)

2008-07-29 16:06    【  【打印】【我要糾錯(cuò)】

  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(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、重量大、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:

  (1)承受較大的非彈性變形,同時(shí)強(qiáng)度沒有明顯下降的能力。

 。2)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(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)越性加以說明:

  (1)破壞前有明顯預(yù)兆,破壞過程緩慢,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(jì)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?yàn)槠渚哂凶銐虻膹?qiáng)度、良好的延性和較強(qiáng)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(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(qiáng)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(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(huì)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(jì)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(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 .

  ①、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(cái)產(chǎn)安全,除了對構(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。

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  結(jié)構(gòu)在使用過程中可能會(huì)承受設(shè)計(jì)中未考慮到的偶然因素的作用,比如說,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。

  ③、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。

  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(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,也就是使地震對結(jié)構(gòu)的作用力減小,因此,延性結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)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(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:

 、佟⒘航孛娉叽。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(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.

  ②、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(jì)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(shí)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(jì)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(yùn)動(dòng)加速度來確定結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(jì),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(jī)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(shí)現(xiàn)“大震不倒”的目標(biāo)。當(dāng)然,我們還要看到一點(diǎn),雖然這三個(gè)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。

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