鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性設(shè)計(jì)

王躍翰　李永乾

摘要:鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的各類構(gòu)件應(yīng)具有必要的強(qiáng)度和剛度,并具有良好的延性性能,避免構(gòu)件的脆性破壞,從而導(dǎo)致主體結(jié)構(gòu)受力不合理,地震時(shí)出現(xiàn)過早破壞。因此,可以采取措施,做好延性設(shè)計(jì),防止構(gòu)件在地震作用下提前破壞,并避免結(jié)構(gòu)體系出現(xiàn)不應(yīng)有的破壞。

關(guān)鍵詞:鋼筋混凝土結(jié)構(gòu) 構(gòu)件 延性設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào):TU37文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1006-8937(2009)03-0061-02

1 前言

在現(xiàn)代房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,延性研究越來越顯得重要,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)延性的研究是塑性設(shè)計(jì)方法和抗震設(shè)計(jì)理論發(fā)展的基礎(chǔ)。所謂延性是指材料、構(gòu)件和結(jié)構(gòu)在荷載作用下,進(jìn)入非線性狀態(tài)后在承載能力沒有顯著降低情況下的變形能力。描寫延性常用的變量有:材料的韌性,截面的曲率延性系數(shù),構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的位移延性系數(shù),塑性鉸轉(zhuǎn)角能力,滯回曲線,耗能能力等。試驗(yàn)和非線性計(jì)算分析表明:構(gòu)件的結(jié)構(gòu)的破壞由受拉鋼筋引起的,常表現(xiàn)出良好的延性,如適筋梁、大偏心受壓柱等;而破壞由混凝土拉斷、剪壞和壓潰控制的常表現(xiàn)為脆性,如素混凝土板、超盡梁、地震作用下剪切破壞的短柱等。

對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)來說,一方面,鋼筋混凝土構(gòu)件的功能依賴于整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)功能,任何構(gòu)件一旦離開整體結(jié)構(gòu),就不再具有它在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中所能發(fā)揮的功能;另一方面,構(gòu)件又影響整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的功能,任何構(gòu)件一旦離開整體結(jié)構(gòu),整體結(jié)構(gòu)喪失的功能不等于該構(gòu)件在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中所發(fā)揮的功能,可能更大,也可能更小。在地震作用下,有可能由于部分構(gòu)件的破壞乃至退出工作,整個(gè)結(jié)構(gòu)體系會(huì)因此破壞,這里的部分構(gòu)件包括了結(jié)構(gòu)構(gòu)件以及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

在地震作用下,混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的破壞可分為脆性破壞和延性破壞兩種,其中脆性破壞的危害時(shí)非常大的,設(shè)計(jì)上是一定要避免的,而延性破壞時(shí)指構(gòu)件承載力沒有顯著降低的情況下,經(jīng)歷很大的非線性變形后所發(fā)生的破壞,在破壞前能給人以警示。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的各類構(gòu)件應(yīng)具有必要的強(qiáng)度和剛度,并具有良好的延性性能,避免構(gòu)件的脆性破壞,從而導(dǎo)致主體結(jié)構(gòu)受力不合理,地震時(shí)出現(xiàn)過早破壞。因此,可以采取措施,做好延性設(shè)計(jì),防止構(gòu)件在地震作用下提前破壞,并避免結(jié)構(gòu)體系出現(xiàn)不應(yīng)有的破壞。

2 延性設(shè)計(jì)的重要性

目前,結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的基本原則是:“ 小震不壞,中震可修,大震不倒”。如果把建筑物設(shè)計(jì)成在強(qiáng)烈地震作用下仍呈彈性反應(yīng),那么建筑物的造價(jià)將是十分昂貴的。把建筑物設(shè)計(jì)成在強(qiáng)烈地震作用下呈非線性反應(yīng),進(jìn)入屈服狀態(tài),靠結(jié)構(gòu)的延性耗散地震能量,從而度過災(zāi)難而不倒塌,建筑物的造價(jià)比前者大大降低。此外,結(jié)構(gòu)的延性也是建筑物遇到意外超載、碰撞、爆炸和基礎(chǔ)沉降等引起超過設(shè)計(jì)預(yù)計(jì)的內(nèi)力和變形是而不突然倒塌的保證。

在實(shí)際工程中進(jìn)行延性設(shè)計(jì)有重大的意義,可從延性結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性加以說明:

第一,破壞前有明顯預(yù)兆,破壞過程緩慢,確保生命安全,減少財(cái)產(chǎn)損失,因而可采用偏小的計(jì)算安全可靠度。

第二,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。而這些因素在設(shè)計(jì)中一般是未予考慮的,因此延性材料的后期變形能力可作為出現(xiàn)上述情況的安全儲(chǔ)備。

第三,有利于實(shí)現(xiàn)超靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力充分重分布。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。

第四,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,降低動(dòng)力反應(yīng),減輕破壞程度,防止結(jié)構(gòu)倒塌以及有利于修復(fù)。

第五,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。

結(jié)構(gòu)抗震的本質(zhì)就是延性,用受彎構(gòu)件來說舉例: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)。

3 影響構(gòu)件延性的因素

3.1縱向鋼筋配筋率

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。理論上,當(dāng)梁的縱向配筋率取為平衡配筋率時(shí),縱向受拉鋼筋屈服與壓區(qū)混凝土壓碎同時(shí)發(fā)生,截面延性系數(shù)為零。因此,應(yīng)限制縱向受拉鋼筋配筋率,保證構(gòu)件具有足夠的延性?；炷潦軌簠^(qū)配置受壓鋼筋,可以減少相對(duì)受壓區(qū)高度,改善構(gòu)件延性。

3.2約束構(gòu)件延性

在受壓構(gòu)件或壓彎構(gòu)件中配置封閉式箍筋、螺旋筋等密排橫向鋼筋,可以限制混凝土的橫向變形,提高構(gòu)件的承載力和極限變形能力,使得混凝土構(gòu)件在極限荷載下具有良好延性性能。

箍筋對(duì)構(gòu)件延性的貢獻(xiàn),取決于箍筋的形式和體積配箍率。不同形式的箍筋對(duì)核心區(qū)混凝土的約束作用時(shí)不相同的,螺旋箍筋對(duì)核心區(qū)混凝土產(chǎn)生均勻分布的側(cè)向壓力,使混凝土處于三向受壓狀態(tài),矩形箍筋只對(duì)角隅處混凝土產(chǎn)生有效的約束,側(cè)面混凝土有外凸的趨勢,約束作用降低。因此配有螺旋箍筋的構(gòu)件,其延性好于配有矩形箍筋的構(gòu)件。

3.3構(gòu)件的破壞類型

以砼框架結(jié)構(gòu)為例,截面的破壞形態(tài)有剪切破壞、彎曲破壞、小偏心的受壓破壞,大偏心的受壓破壞。但按受力特點(diǎn)可分為兩類:受壓破壞和受拉破壞。其中彎曲破壞和大偏心受壓破壞屬于受拉破壞,剪切破壞和小偏心受壓破壞屬于受壓破壞。受拉破壞是由受拉鋼筋屈服引起的破壞,受拉鋼筋進(jìn)入屈服階段形成塑性鉸,在截面完全破壞達(dá)到承載力極限狀態(tài)前,要經(jīng)歷較大的塑性變形才達(dá)到承載力極限狀態(tài),由于形成了塑性鉸,截面塑性變形引起截面裂縫急劇開展和變形急劇增加,而后混凝土才達(dá)到極限壓應(yīng)變壓碎,到達(dá)承載力極限狀態(tài),截面破壞階段能給人以明顯的破壞預(yù)兆,具有延性破壞的性質(zhì);受壓破壞是由受壓砼壓碎引起或斜截面控制的破壞,破壞過程中未形成塑性鉸無明顯的塑性變形,不能給人以明顯的破壞預(yù)兆,由于這種破壞帶有一定的突然性,具有脆性破壞的性質(zhì)。當(dāng)結(jié)構(gòu)中截面出現(xiàn)受壓破壞時(shí),塑性變形小,結(jié)構(gòu)延性差;當(dāng)結(jié)構(gòu)中截面出現(xiàn)受拉破壞時(shí),塑性變形大,結(jié)構(gòu)延性好。

4 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的延性保證

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的塑性變形性能、混凝土的韌性及鋼筋與混凝土的粘結(jié)錨固性能對(duì)結(jié)構(gòu)的延性影響較大,在材料的選用上要考慮這些因素。構(gòu)件的縱筋易選用延伸率較大、與混凝土粘結(jié)性能好的Ⅱ、Ⅲ級(jí)鋼筋。采用冷拉鋼筋、高強(qiáng)鋼筋(絲)和鋼絞線等延伸率較低的鋼筋配制預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),只要適當(dāng)配置熱軋非預(yù)應(yīng)力鋼筋、保證配筋指數(shù)不超過一定限制和適當(dāng)提高箍筋構(gòu)造要求,結(jié)構(gòu)的延性也可滿足抗震要求。混凝土的強(qiáng)度和施工質(zhì)量對(duì)鋼筋的粘結(jié)錨固至關(guān)重要,而只有避免鋼筋與混凝土的粘結(jié)錨固失效才能確保結(jié)構(gòu)的延性。因此,為確保鋼筋與混凝土的粘結(jié),規(guī)范規(guī)定:一級(jí)抗震的框架要求混凝土強(qiáng)度等級(jí)不低于C30,其它抗震等級(jí)時(shí)不低于C20。C60 和C60以上的高強(qiáng)混凝土本身的韌性降低,對(duì)結(jié)構(gòu)的延性不利。

4.1軸壓比限值

柱的軸壓比是影響框架結(jié)構(gòu)延性的重要因素。柱的延性隨軸壓比增大而減小,軸壓比超過界限值將發(fā)生小偏壓脆性破壞。在抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)控制柱的軸壓比不超過限值,使其發(fā)生大偏壓破壞并具有一定延性。規(guī)范規(guī)定,對(duì)于框架柱相應(yīng)于一、二、三級(jí)抗震時(shí),軸壓比限值分別為0.7、0.8、0.9。這里規(guī)定的軸壓比限值系指柱軸壓力設(shè)計(jì)值與柱軸壓承載力設(shè)計(jì)值得比值。

4.2筋的構(gòu)造要求

梁的延性隨截面受壓區(qū)高度減小而增大,一般截面受壓區(qū)高度=0.35∶0.20ho時(shí),位移延性系數(shù)相應(yīng)為3～4。所以規(guī)范規(guī)定,一級(jí)抗震等級(jí)時(shí),≤0.25ho,二、三級(jí)抗震等級(jí)時(shí),≤0.35h0,并且要求受壓鋼筋與受拉鋼筋之比控制在一定范圍內(nèi),即A' s≥0.5As(一級(jí)抗震),A' s≥0.3As(二級(jí)抗震)。為防止過多的縱向受拉鋼筋在地震中使梁產(chǎn)生粘結(jié)劈裂破壞,規(guī)范還規(guī)定s≤2.5%。在地震作用下,梁的反彎點(diǎn)變化很難準(zhǔn)確預(yù)計(jì),所以應(yīng)有足夠數(shù)量的鋼筋貫通梁的上、下部。同時(shí)將梁的最小配筋率比非地震作用時(shí)的規(guī)定予以提高。為防止地震作用下柱子少筋脆性破壞和超筋粘結(jié)劈裂破壞,柱的縱向配筋率不得少于0.8%、0.7%、0.6%、0.5%、(相應(yīng)于一、二、三、四級(jí)抗震等級(jí)),角柱的上述限值相應(yīng)提高0.1%;柱的縱向配筋率最大間距不宜超過200 mm。

4.3箍筋的構(gòu)造要求

箍筋不僅提供構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的抗剪能力,確?！皬?qiáng)柱弱梁”和“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”設(shè)計(jì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn),同時(shí)還對(duì)梁、柱塑性鉸區(qū)混凝土和受壓鋼筋提供約束作用,延緩塑性鉸的破壞過程,從而改善結(jié)構(gòu)的延性和耗能能力。梁和柱的剪切破壞區(qū)和彎壓塑性鉸區(qū)均發(fā)生在構(gòu)件的兩端,因此應(yīng)對(duì)構(gòu)件兩端的箍筋加密設(shè)置。加密區(qū)的構(gòu)造要求包括加密區(qū)的長度、箍筋最小直徑、最大間距和最小體積率的規(guī)定。同時(shí)規(guī)范還規(guī)定了箍筋延構(gòu)件全長的最小體積率以及節(jié)點(diǎn)的最小體積率。其中柱加密區(qū)和節(jié)點(diǎn)的箍緊最小體積率除與抗震等級(jí)有關(guān)外,還與柱的軸壓比和箍筋的類型有關(guān)?？拐鸬燃?jí)高要求的最小體積率高、軸壓比高要求的最小體積率高,采用普通箍筋比采用螺旋箍筋要求的體積率高。對(duì)于一級(jí)抗震的角柱在地震作用下可能伴隨扭轉(zhuǎn)作用,Hn/h 小于4的框架柱可能產(chǎn)生剪切破壞,這兩種情況需要在全長加密箍筋?？梢姽拷畹臉?gòu)造規(guī)定是保證“大震不倒”設(shè)計(jì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的最重要的措施。

5 結(jié)語

從鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)基本原則,到結(jié)構(gòu)抗震承載力和變形驗(yàn)算以及抗震構(gòu)造措施的制定,都離不開對(duì)結(jié)構(gòu)和構(gòu)件延性的深入研究。更好的研究它和應(yīng)用它,使建筑物既能達(dá)到國家抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),又能夠符合經(jīng)濟(jì)合理的原則。

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