談提高建筑結(jié)構(gòu)延性措施

張文魁

延性是指構(gòu)件和結(jié)構(gòu)屈服后，具有承載能力不降低或基本不降低，且具有足夠塑性變形能力的一種性能。如結(jié)構(gòu)(或構(gòu)件，甚至材料)超越彈性極限后直至破壞所能產(chǎn)生的變形量大，即稱它的延性好。如超越彈性極限后隨即破壞，則表示其延性性能極差，就稱它為脆性。延性通常包括截面延性、構(gòu)件延性和結(jié)構(gòu)延性三個(gè)層次。非抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要求結(jié)構(gòu)在規(guī)定荷載作用下處于或基本處于彈性工作階段(即結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要有足夠的強(qiáng)度，保證安全，又要有足夠的剛度，保證變形在允許的范圍內(nèi))。而抗震設(shè)計(jì)時(shí)，由于地震本身隨機(jī)性很強(qiáng)，某地區(qū)在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)可能出現(xiàn)的最大地震強(qiáng)度無法事先預(yù)知，相對于其他荷載地震影響次數(shù)少，作用時(shí)間短，強(qiáng)度差異大，若要求各種地震強(qiáng)度下結(jié)構(gòu)都處于彈性工作階段是很不經(jīng)濟(jì)的，也是不可能的。這是抗震設(shè)計(jì)的基本思想。根據(jù)這一基本思想，GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(以下簡稱《抗規(guī)》)規(guī)定了“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)。建筑結(jié)構(gòu)延性是實(shí)現(xiàn)“中震可修、大震不倒”的重要手段。

為了增強(qiáng)結(jié)構(gòu)在遭遇中震破壞較小可修和大震時(shí)不致倒塌或發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞的能力，結(jié)構(gòu)應(yīng)具有較高的延性。通過耗能使結(jié)構(gòu)振動迅速衰減是提高結(jié)構(gòu)抗震性能的重要問題。對結(jié)構(gòu)延性的要求具體體現(xiàn)在對構(gòu)件延性的要求上。特別是要提高結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵構(gòu)件和構(gòu)件中的關(guān)鍵部位的延性。關(guān)鍵構(gòu)件是指薄弱層的豎向構(gòu)件、房屋周邊轉(zhuǎn)角處的構(gòu)件、作為耗能元件的構(gòu)件(如聯(lián)肢剪力墻中的連梁)等，關(guān)鍵部位是指框架梁柱的兩端、剪力墻的底部加強(qiáng)部位等。

一般采用下列措施來提高延性:

1)限制豎向構(gòu)件的軸壓比。豎向構(gòu)件的延性對防止結(jié)構(gòu)的倒塌至關(guān)重要。軸壓比是影響鋼筋混凝土豎向構(gòu)件延性的主要因素之一。試驗(yàn)研究表明，鋼筋混凝土柱和剪力墻的變形能力隨著軸壓比的增加而明顯降低?！犊挂?guī)》對抗震等級為一級、二級、三級的框架柱和抗震等級為一級、二級的剪力墻底部加強(qiáng)部位的軸壓比進(jìn)行了限制。框架柱的初始截面尺寸常常根據(jù)軸壓比的限值進(jìn)行估算。

2)限制梁受壓區(qū)高度。對于鋼筋混凝土框架梁，在其受壓區(qū)配置一定數(shù)量的縱向鋼筋可減小梁截面的受壓區(qū)高度，增強(qiáng)梁端的轉(zhuǎn)動能力，從而提高框架梁的延性。

試驗(yàn)研究表明，當(dāng)梁截面的受壓區(qū)相對高度在0.2～0.35時(shí)，梁的曲率延性系數(shù)可達(dá)4左右。

3)控制構(gòu)件的破壞形態(tài)。調(diào)整增大剪力設(shè)計(jì)值，避免剪切破壞先于彎曲破壞。構(gòu)件的破壞機(jī)理和破壞形態(tài)很大程度上決定了其變形能力和耗能能力。彎曲破壞屬于延性破壞，而剪切破壞屬于脆性破壞，發(fā)生彎曲破壞的構(gòu)件的延性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于發(fā)生剪切破壞的構(gòu)件。因此控制構(gòu)件的破壞形態(tài)，可以從根本上控制構(gòu)件的延性。目前，在鋼筋混凝土抗震構(gòu)件的設(shè)計(jì)中采用“強(qiáng)剪弱彎”的原則，即采用增大剪力設(shè)計(jì)值和增加抗剪箍筋的方法來提高構(gòu)件的受剪承載力，并且通過控制截面上的剪應(yīng)力(剪壓比)，來避免過早發(fā)生剪切破壞。

4)加強(qiáng)箍筋，避免混凝土的壓潰先于縱筋的壓屈。在梁端塑性鉸區(qū)(約為梁高的1.5倍～2.0倍)配置加密的封閉箍筋(間距小于縱筋直徑的6倍～8倍)可以提高該范圍內(nèi)混凝土的極限壓應(yīng)變，并可防止塑性鉸區(qū)內(nèi)的受壓縱筋被過早壓屈，還可防止發(fā)生剪切破壞，從而保證梁有較大的延性。實(shí)際震害表明，鋼筋混凝土框架柱，在地震反復(fù)作用下，柱端的保護(hù)層往往首先剝落，若無足夠的箍筋約束，縱筋就會向外脹出。箍筋對柱核心區(qū)混凝土也具有較強(qiáng)的約束作用，提高配箍率可以顯著提高混凝土的極限壓應(yīng)變，從而提高柱的延性。此外，柱箍筋的形式對其變形能力也有較大的影響，根據(jù)日本的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，在柱截面、縱筋、配箍率、箍筋間距、箍筋肢距、混凝土強(qiáng)度等級和軸壓比均相同的情況下，采用連續(xù)復(fù)合螺旋箍的柱比采用一般復(fù)合箍筋的柱，極限變形提高25%。采用螺旋箍、復(fù)合螺旋箍也可顯著提高柱的極限變形能力。

5)設(shè)置墻端邊緣構(gòu)件。對于鋼筋混凝土剪力墻，在墻兩端部設(shè)置邊緣構(gòu)件(暗柱、明柱、翼柱)，將墻體豎向鋼筋的大部分配置于兩端邊緣構(gòu)件內(nèi)，能提高剪力墻的受彎承載力，在邊緣構(gòu)件內(nèi)配置足夠數(shù)量的橫向箍筋，可以防止裂縫貫穿墻面，使剪力墻的變形能力有較大的提高。另外，剪力墻的塑性鉸一般出現(xiàn)在底部，加強(qiáng)剪力墻底部的構(gòu)造能保證剪力墻底部的延性。

6)加強(qiáng)鋼筋錨固，避免鋼筋的錨固粘結(jié)破壞先于構(gòu)件破壞。在較強(qiáng)的地震作用過程中，梁、柱端截面和剪力墻肢底部截面中的縱向受力鋼筋可能處于交替拉、壓的狀態(tài)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這時(shí)鋼筋與其周圍混凝土的粘結(jié)性能將比單調(diào)受拉時(shí)不利。因此，根據(jù)不同的抗震等級給出了增大鋼筋受拉錨固長度的規(guī)定。受拉鋼筋搭接長度也相應(yīng)增大，以保證足夠的延性。

7)加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，避免節(jié)點(diǎn)破壞先于構(gòu)件破壞。

8)對預(yù)埋件應(yīng)避免錨固破壞先于連接件破壞。

9)對預(yù)應(yīng)力混凝土抗側(cè)力構(gòu)件，預(yù)應(yīng)力筋宜在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)以外錨固，并應(yīng)配置足夠多的非預(yù)應(yīng)力鋼筋。

10)對鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)合理控制尺寸，避免局部失穩(wěn)或整體失穩(wěn)。

11)重視材料選擇，混凝土強(qiáng)度不宜過低也不宜過高;縱筋宜選用HRB400級和HRB335級熱軋鋼筋;箍筋宜選用HRB335，HRB400和HPB235級熱軋鋼筋;鋼材宜選用Q235等級C，D的碳素結(jié)構(gòu)鋼及Q345等級C，D，E的低合金結(jié)構(gòu)鋼，對焊接結(jié)構(gòu)，當(dāng)鋼板厚度不小于40 mm且承受沿板厚方向的拉力時(shí)，板厚方向截面收縮率尚不應(yīng)低于Z15級。

12)鋼纖維混凝土的應(yīng)用。鋼纖維混凝土是在普通混凝土中摻入少量(體摻率1%～2%)亂向鋼纖維形成的一種復(fù)合材料。鋼纖維混凝土具有較高的抗拉、抗裂和抗剪強(qiáng)度，良好的抗沖擊韌性和抗地震延性。所使用的鋼纖維有圓直鋼纖維、剪切鋼纖維、熔抽鋼纖維和末端帶彎鉤的鋼纖維，橫截面有圓形、矩形和月牙形，規(guī)格有0.55 mm×41 mm和0.3 mm×0.6 mm×32 mm等多種，當(dāng)量長徑比為50～75。影響鋼纖維混凝土性能的主要因素是鋼纖維的直徑、長徑比和外形。

13)型鋼混凝土的應(yīng)用。型鋼混凝土(SRC)結(jié)構(gòu)是把型鋼(S)置入鋼筋混凝土(RC)中，使型鋼、鋼筋(縱筋和箍筋)、混凝土3種材料元件協(xié)同工作以抵抗各種外部作用效應(yīng)的一種結(jié)構(gòu)。它是鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)的一種形式，其截面組成特征是型鋼鋼筋混凝土的鋼材全部被包在混凝土內(nèi)部，型鋼與鋼筋骨架的外面有一層混凝土外殼。同傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)相比，這種結(jié)構(gòu)有更大的強(qiáng)度和剛度，更好的局部和整體穩(wěn)定性，防腐性和防火性能好，節(jié)約鋼材。同鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，這種結(jié)構(gòu)承載能力大、剛度大、抗震性能好，尤其在大跨、超高層、重載的建筑結(jié)構(gòu)中，較單獨(dú)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有更好的適用性，可以減小構(gòu)件截面，增大使用空間。

[1]GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

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