加強(qiáng)延性設(shè)計(jì) 提高結(jié)構(gòu)抗震性能

楊淑紅

(呼倫貝爾學(xué)院，內(nèi)蒙古呼倫貝爾 021008)

0 引言

地震是能量以波的形式向各個(gè)方向傳播、釋放并引起振動(dòng)的過(guò)程。由于地震的難以預(yù)知和隨機(jī)發(fā)生，導(dǎo)致現(xiàn)有的“中國(guó)地震區(qū)劃圖”及相應(yīng)的地震基本烈度表具有很大的不確定性，多次強(qiáng)烈地震及特大地震均發(fā)生在抗震設(shè)防低烈度地區(qū)。因此當(dāng)大震來(lái)臨出現(xiàn)彈塑性變形時(shí)，結(jié)構(gòu)需通過(guò)延性設(shè)計(jì)來(lái)保證有良好的抗變形和耗能能力?！白冃?、能量吸收與耗散”的能力是結(jié)構(gòu)抗震性能的標(biāo)志。

1 延性的涵義

1.1 物理術(shù)語(yǔ)

物理術(shù)語(yǔ)是指材料的結(jié)構(gòu)、構(gòu)件或構(gòu)件的某個(gè)截面從屈服開始到達(dá)最大承載能力或到達(dá)以后而承載能力還沒有明顯下降期間的變形能力。

即:

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。

延性概念最早出現(xiàn)在1961年美國(guó)波特蘭水泥協(xié)會(huì)(PCA)制定的《多層鋼筋混凝土建筑抗震設(shè)計(jì)》手冊(cè)中。延性是抗震設(shè)計(jì)中的重要特性，用延性系數(shù)來(lái)度量。結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)和地震工程領(lǐng)域?qū)W者喬普拉(Anil K.Chopra)在其《結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論及其在地震工程中的應(yīng)用》(第2版)7.2節(jié)中給出延性系數(shù)的表達(dá)式:

由于地面運(yùn)動(dòng)引起的彈塑性體系的位移峰值(最大位移)與屈服位移之比，即是無(wú)量綱的量。

1.2 四個(gè)層次

在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中延性有四層含義:材料的延性、桿件的延性、構(gòu)件的延性、結(jié)構(gòu)的延性。

材料的延性:發(fā)生較大的非彈性變形或反復(fù)彈塑性變形時(shí)強(qiáng)度沒有明顯下降的材料稱延性材料。

桿件的延性:構(gòu)件中某一桿件(墻片中的連梁或墻肢、框架中的梁或柱)的塑性變形、能量吸收與耗散的能力。

構(gòu)件的延性:結(jié)構(gòu)中某一構(gòu)件(一片墻或一榀框架)的塑性變形、能量吸收與耗散的能力。

結(jié)構(gòu)的延性:通常指其整體塑性變形能力和抗地震倒塌能力。

2 延性設(shè)計(jì)的原則

實(shí)際工程中很難做到結(jié)構(gòu)中所用桿件、構(gòu)件均具有較高的延性，通常的做法是:對(duì)桿件的延性要求高于對(duì)構(gòu)件的延性的要求;對(duì)構(gòu)件的延性的要求高于對(duì)結(jié)構(gòu)的延性要求。

1)加強(qiáng)如梁的兩端、柱的上下端、抗震墻墻肢的根部等關(guān)鍵部位的延性。

2)加強(qiáng)構(gòu)件中關(guān)鍵桿件的延性。

如壁式框架中窗間墻的延性，聯(lián)肢墻中的窗裙梁的延性，框架(或框架筒體)中柱的延性。

3)設(shè)置多道抗震防線的抗震結(jié)構(gòu)中加強(qiáng)第一道防線構(gòu)件的延性。

如筒中筒的內(nèi)筒延性，框架—抗震墻中抗震墻的延性。

4)加強(qiáng)房屋周邊、平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)突變處構(gòu)件的延性。

偏心結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮扭轉(zhuǎn)影響，加強(qiáng)剛度較弱一端構(gòu)件的延性。

5)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)罕遇地震作用下塑性變形集中的薄弱樓層的構(gòu)件延性。

如樓層屈服強(qiáng)度系數(shù)沿高度分布均勻的結(jié)構(gòu)的底層的延性，樓層屈服強(qiáng)度系數(shù)沿高度分布不均勻的結(jié)構(gòu)的系數(shù)最小和相對(duì)較小樓層的延性，單層廠房的上柱的延性。

3 延性設(shè)計(jì)的措施

3.1 材料的延性設(shè)計(jì)

3.1.1 纖維增強(qiáng)混凝土

在普通混凝土中摻入適量的各種纖維材料而形成的纖維增強(qiáng)混凝土，可很好的提高混凝土結(jié)構(gòu)的抗震延性。應(yīng)用較成熟的是在混凝土中摻入體積率為0.8%～1.5%的隨機(jī)亂向分布的短鋼纖維的鋼纖維增強(qiáng)混凝土。鋼纖維按生產(chǎn)工藝常見有:切斷鋼纖維、剪切鋼纖維、切削鋼纖維、溶抽鋼纖維，最有前途的是價(jià)格最低的溶抽鋼纖維。

3.1.2 高強(qiáng)混凝土

由于使用功能的限制，高、超高層建筑的框架柱截面尺寸不能隨意加大，軸向壓力又很大，其軸壓比大，柱的延性往往很差，在地震作用下呈脆性破壞，為降低軸壓比宜采用高強(qiáng)混凝土(同時(shí)應(yīng)注意控制降低剪壓比)，以獲得良好延性。

3.1.3 纖維增強(qiáng)高性能混凝土

纖維增強(qiáng)高性能混凝土——在高強(qiáng)混凝土中摻加纖維是一種改善高強(qiáng)混凝土脆性的有效措施。其拉伸應(yīng)力—應(yīng)變曲線在應(yīng)力峰值后出現(xiàn)應(yīng)變軟化段，表明纖維增強(qiáng)高性能混凝土不僅大大提高了拉伸應(yīng)力而且顯著改善了高強(qiáng)混凝土的脆性。

試驗(yàn)還表明，在同樣纖維體積含量的情況下，鋼纖維和碳纖維對(duì)改善高強(qiáng)混凝土的脆性比合成纖維更為有效。

3.2 “強(qiáng)柱弱梁”的延性設(shè)計(jì)

柱是壓彎構(gòu)件，梁是受彎構(gòu)件，框架梁的延性通常遠(yuǎn)大于柱的延性。有目的地增大柱端彎矩設(shè)計(jì)值，體現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”的延性設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)梁鉸側(cè)移機(jī)構(gòu)，即塑性鉸應(yīng)首先在梁上形成，盡可能避免在危害更大的柱上出現(xiàn)塑性鉸。在強(qiáng)烈地震作用下，當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生較大側(cè)移進(jìn)入非彈性階段時(shí)，框架保持足夠的豎向承載力從而免于倒塌。

3.3 梁柱的延性設(shè)計(jì)

3.3.1 控制軸壓比

軸壓比指柱組合的軸壓力設(shè)計(jì)值與柱全截面面積和混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值乘積之比值，以表示。軸壓比是影響柱子破壞形態(tài)和延性的主要因素之一。試驗(yàn)表明，柱的位移延性隨軸壓比增大而急劇下降，尤其在高軸壓比情況下，箍筋對(duì)柱的延性不再發(fā)揮作用。因此在確定柱等軸壓和壓彎構(gòu)件的截面尺寸時(shí)，要控制其軸壓比?？拐鹪O(shè)計(jì)時(shí)，希望框架柱最終發(fā)生受拉鋼筋首先屈服的具有較好塑性的大偏心受壓破壞。隨軸壓比的增大，會(huì)出現(xiàn)混凝土壓碎而受拉鋼筋并未屈服的呈受壓塑性鉸的小偏心受壓破壞。受拉塑性鉸的大偏心受壓破壞延性好，有較大吸收能量的能力，因此也要控制其軸壓比最大值。

3.3.2 限制剪跨比

3.3.3 降低剪壓比

剪壓比指截面上平均剪應(yīng)力與混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的比值，是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用的關(guān)鍵指標(biāo)。

桿件塑性鉸區(qū)的截面剪壓比對(duì)其延性、耗能能力、強(qiáng)度及剛度有明顯的影響，當(dāng)剪壓比超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，混凝土?xí)榱?，桿件較早出現(xiàn)斜裂縫，此時(shí)即使增加橫向鋼筋的用量，也不能有效提高其受剪承載力。因此應(yīng)降低剪壓比(本質(zhì)是要求桿件達(dá)到一定的面積指標(biāo))。

3.3.4 加強(qiáng)約束箍筋

震害表明，框架柱的破壞一般發(fā)生在柱上下端1.0倍～1.5倍柱截面高度范圍內(nèi)，加密柱端箍筋，可側(cè)向支撐縱筋防止縱筋壓屈、承擔(dān)柱子剪力、提高混凝土抗壓強(qiáng)度及彈塑性變形能力。其中箍筋對(duì)混凝土的約束程度主要與箍筋形式、體積配箍率、箍筋抗拉強(qiáng)度及混凝土軸心抗壓強(qiáng)度等因素有關(guān)。

3.3.5 控制縱筋的配筋率

為獲得較大屈服變形，防止柱在地震作用下過(guò)早屈服，應(yīng)增大柱縱向鋼筋的最小總配筋率，且每一側(cè)配筋率不應(yīng)小于0.2%。同時(shí)過(guò)大的配筋率易產(chǎn)生剪切破壞或粘結(jié)破壞從而使柱的延性變差，因此還應(yīng)減小框架柱縱向鋼筋的最大總配筋率。同時(shí)加大縱向鋼筋的錨固長(zhǎng)度。

3.4 滿足“強(qiáng)剪弱彎”的破壞形態(tài)

抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使構(gòu)件的受剪承載力大于其受彎承載力，使構(gòu)件發(fā)生延性較好的彎曲破壞，防止在彎曲破壞前發(fā)生延性較差的剪切破壞。這也是保證構(gòu)件在塑性鉸出現(xiàn)之后也不過(guò)早剪壞的有效措施。

3.5 “強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的延性設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)核心區(qū)是抗震的薄弱部位，在彎矩、剪力、軸力作用下處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)。一旦破壞難以修復(fù)加固，所以設(shè)計(jì)時(shí)要使節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的承載力高于與之相連的桿件的承載力，達(dá)到連接桿件充分發(fā)揮承載能力和變形能力的目的。

4 結(jié)語(yǔ)

GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范是依據(jù)抗震等級(jí)對(duì)構(gòu)件本身不同性質(zhì)的承載力或構(gòu)件間的相對(duì)的承載力進(jìn)行內(nèi)力調(diào)整，并依據(jù)規(guī)定的構(gòu)造要求來(lái)達(dá)到結(jié)構(gòu)延性的要求。構(gòu)造措施即指:在設(shè)計(jì)中采取的強(qiáng)梁弱柱、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)核心區(qū)強(qiáng)錨固、限制軸壓比、剪跨比、剪壓比、控制縱筋的配筋率、加強(qiáng)箍筋對(duì)混凝土的約束等措施。

加強(qiáng)延性設(shè)計(jì)提高結(jié)構(gòu)抗震性能，目前還處于非確定性設(shè)計(jì)階段，即概念性設(shè)計(jì)階段。軸壓比、剪跨比、配箍特征值等因素的影響已取得一定成果，但還有混凝土保護(hù)層、配箍形式等很多因素的影響尚不明確，有待進(jìn)一步研究。

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

［2］朱炳寅.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范應(yīng)用與分析［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

［3］王社良.抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］.第4版.武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2011.

［4］Anil K.Chopra，謝禮立.結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論及其在地震工程中的應(yīng)用［M］.第2版.北京：清華大學(xué)出版社，2005.