論鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)延性設(shè)計措施及意義

【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，地震時出現(xiàn)過早破壞。因此，可以采取措施，做好延性設(shè)計，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

0.前言

在我國多高層建筑中，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用最為普遍。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)。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非常大的，設(shè)計上是一定要避免的，而延性破壞時指構(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，地震時出現(xiàn)過早破壞。因此，可以采取措施，做好延性設(shè)計，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。構(gòu)件延性性能一般用延性比來表示。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。

1.提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)延性措施

1.1限制構(gòu)件縱向鋼筋配筋率

當(dāng)梁縱向受拉鋼筋配筋率很高時，在彎矩達(dá)到最大值時，彎矩—曲率曲線很快出現(xiàn)下降；當(dāng)配筋率較低時，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，縱向受拉鋼筋屈服與壓區(qū)混凝土壓碎同時發(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，可以減少相對受壓區(qū)高度，改善構(gòu)件延性。

1.1提高構(gòu)件橫向鋼筋

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。不同形式的箍筋對核心區(qū)混凝土的約束作用時不相同的，螺旋箍筋對核心區(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。

1.2選用合理鋼筋與混凝土的強(qiáng)度

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級鋼筋?；炷恋膹?qiáng)度和施工質(zhì)量對鋼筋的粘結(jié)錨固至關(guān)重要，一級抗震的框架要求混凝土強(qiáng)度等級不低于C30，其它抗震等級時不低于C20。C60 和C60以上的高強(qiáng)混凝土本身的韌性降低，對結(jié)構(gòu)的延性不利。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。

1.3控制桿件軸壓比

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，對于框架柱相應(yīng)于一、二、三級抗震時，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)計值與柱軸壓承載力設(shè)計值得比值。

1.4縱筋的構(gòu)造要求

梁的延性隨截面受壓區(qū)高度減小而增大，所以規(guī)范規(guī)定，一級抗震等級時，χ≤0.25ho，二、三級抗震等級時，χ≤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（一級抗震），A' s≥0.3As（二、三級抗震）。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ρs≤2.5%。在地震作用下，梁的反彎點(diǎn)變化很難準(zhǔn)確預(yù)計，所以應(yīng)有足夠數(shù)量的鋼筋貫通梁的上、下部。同時將梁的最小配筋率比非地震作用時的規(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、四級抗震等級），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200mm。

1.5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)計目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，同時還對梁、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。同時規(guī)范還規(guī)定了箍筋沿構(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)的箍筋最小體積率除與抗震等級有關(guān)外，還與柱的軸壓比和箍筋的類型有關(guān)?？拐鸬燃壐咭蟮淖钚◇w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。對于一級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。

1.6提高柱和節(jié)點(diǎn)承載力

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，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，塑性變形大，結(jié)構(gòu)延性好。

2.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有良好延性意義

（1）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，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；

（2）具有良好延性鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計，能獲得最佳性價比。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，從而會多用材料，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(jì)的設(shè)計對策。

（3）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)計時，同樣也可以節(jié)約鋼筋用量，取得較好的經(jīng)濟(jì)效果。

（4）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產(chǎn)安全，除了對構(gòu)件發(fā)生脆性破壞時的可靠指標(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。

（5）承受某些偶然因素的作用：結(jié)構(gòu)在使用過程中可能會承受設(shè)計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。

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)計理論的。

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