混凝土結(jié)構(gòu)延性設(shè)計(jì)的重要性

郭 可

（大連建宇建筑設(shè)計(jì)咨詢有限公司）

混凝土結(jié)構(gòu)延性設(shè)計(jì)的重要性

郭 可

（大連建宇建筑設(shè)計(jì)咨詢有限公司）

混凝土延性設(shè)計(jì)是提升建筑結(jié)構(gòu)的整體性、穩(wěn)定性，減少結(jié)構(gòu)受到外力時(shí)受到的破壞程度，提升建筑抗震能力，對(duì)于建筑安全以及使用者的安全都有著重要意義。本文從混凝土結(jié)構(gòu)延性概念、重要性、延性設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析。

混凝土結(jié)構(gòu) 延性設(shè)計(jì) 分析

引言

建筑物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)，取決于結(jié)構(gòu)吸收和耗散能量的多少，也就是說(shuō)，結(jié)構(gòu)的抗震能力是由承載力和變形兩者共同決定的.承載力較低但具有很大延性的結(jié)構(gòu)，所能吸收的能量多，雖然較早出現(xiàn)損壞，但能經(jīng)受住較大變形，避免倒塌.而僅有較高強(qiáng)度，卻無(wú)塑性變形能力的脆性結(jié)構(gòu)，吸收的能量少，一旦遇到超過(guò)設(shè)計(jì)水平的地震作用時(shí)，很容易因?yàn)榇嘈云茐亩蝗坏顾?因此，地震區(qū)的建筑物應(yīng)優(yōu)先考慮設(shè)計(jì)成抗震性能好的延性結(jié)構(gòu)。

1、結(jié)構(gòu)延性的概念

1.1概念及要求

延性包括材料、截面、構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的延性。延性是指屈服后，強(qiáng)度和承載能力沒(méi)有顯著降低時(shí)的塑性變形能力。延性大，說(shuō)明塑性變形能力大，強(qiáng)度或承載力的降低緩慢，從而有足夠大的能力吸收和耗散地震能量，避免結(jié)構(gòu)倒塌；延性小，說(shuō)明達(dá)到最大承載能力后承載力迅速降低，變形能力小，呈現(xiàn)脆性破壞，引起結(jié)構(gòu)倒塌。結(jié)構(gòu)延性可以來(lái)自材料延性、截面曲率延性、構(gòu)件位移延性和結(jié)構(gòu)位移延性。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)截面延性的要求高于對(duì)構(gòu)件延性的要求，對(duì)構(gòu)件延性的要求高于對(duì)結(jié)構(gòu)延性的要求。我國(guó)規(guī)范沒(méi)有對(duì)結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的延性系數(shù)和耗能能力做定量的規(guī)定，只規(guī)定了罕遇地震作用下各結(jié)構(gòu)體系的彈塑性層間位移角限值。例如，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的屈服層間位移角為1/200左右，規(guī)范規(guī)定其彈塑性層間位移角限值為1/50。

1.2鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)都應(yīng)該設(shè)計(jì)成延性結(jié)構(gòu)

“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)計(jì)原則，也就是要做到在設(shè)防烈度地震作用下，允許部分構(gòu)件出現(xiàn)塑性鉸，這種狀態(tài)是“中震可修”狀態(tài)；合理控制塑性鉸部位、構(gòu)件又具備足夠的延性，可做到在大震作用下結(jié)構(gòu)不倒塌的狀態(tài)。延性結(jié)構(gòu)的塑性變形可以耗散地震能量，雖然結(jié)構(gòu)變形會(huì)加大，但內(nèi)力不會(huì)很大，對(duì)構(gòu)件的承載能力要求不會(huì)很高。也就是說(shuō)，延性結(jié)構(gòu)是用它的變形能力，而不是承載力抵抗強(qiáng)烈的地震作用。因此，對(duì)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)合理和安全的設(shè)計(jì)方向。設(shè)計(jì)規(guī)范上對(duì)延性結(jié)構(gòu)的要求融入了各章節(jié)，并通過(guò)計(jì)算和構(gòu)造給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了多道防線。這方面的闡述已較明朗，實(shí)際工作中也得到充分采納。然而，我們?cè)趯?shí)際設(shè)計(jì)工作中，建筑體形、結(jié)構(gòu)布置確定后，要反映延性框架和延性剪力墻的抗震概念，可以通過(guò)哪些實(shí)用有效又經(jīng)濟(jì)的方式，這里具體介紹一下。

2、延性設(shè)計(jì)的重要性

2.1強(qiáng)柱弱梁

框架結(jié)構(gòu)最佳的抗震機(jī)制是梁式側(cè)移機(jī)構(gòu)，即梁端的塑性鉸先于柱端出現(xiàn)塑性鉸的側(cè)移機(jī)構(gòu)。塑性鉸具有足夠的轉(zhuǎn)動(dòng)能力可繼續(xù)承受部分壓力，從而保證框架結(jié)構(gòu)具有一個(gè)較穩(wěn)定的塑性耗能機(jī)構(gòu)來(lái)抵抗地震能量，因此應(yīng)限制梁的受壓區(qū)高度，對(duì)梁上荷載進(jìn)行不利組合并進(jìn)行彎矩調(diào)幅，控制其受彎承載力；合理布置梁端配筋，使其滿足配筋率要求不過(guò)大；同時(shí)，適當(dāng)增加柱端配筋率，保證塑性鉸在梁端產(chǎn)生。

2.2強(qiáng)剪弱彎

剪切破壞一旦發(fā)生，則構(gòu)件會(huì)失去抗震能力，退出工作。柱若先發(fā)生剪切破壞，則可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的局部破壞甚至整體倒塌。所以有必要強(qiáng)調(diào)框架結(jié)構(gòu)盡量發(fā)生彎曲破壞而非剪切破壞?！皬?qiáng)剪弱彎”原則即要求梁柱斜截面承載力大于正截面承載力，防止發(fā)生脆性的剪切破壞。在《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定梁柱截面抗剪承載力設(shè)計(jì)值要根據(jù)不同的抗震等級(jí)乘以相應(yīng)地放大系數(shù)，就是“強(qiáng)剪弱彎”原則的表現(xiàn)。

2.3 強(qiáng)節(jié)點(diǎn)強(qiáng)錨固

節(jié)點(diǎn)是梁柱構(gòu)件的公共部分，節(jié)點(diǎn)的失效意味著與之相連的柱和梁同時(shí)失效?？蚣芙Y(jié)構(gòu)最佳的抗震機(jī)制是梁式側(cè)移機(jī)制，即梁端先出現(xiàn)塑性鉸，而梁端塑性鉸形成的基本前提是保證梁縱筋在節(jié)點(diǎn)區(qū)有可靠的錨固，故而延性設(shè)計(jì)時(shí)要求“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)強(qiáng)錨固”。為防止節(jié)點(diǎn)核芯剪切破壞和鋼筋錨固破壞，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循的準(zhǔn)側(cè)有：節(jié)點(diǎn)的承載力不低于其連接構(gòu)件的承載力；多遇地震時(shí)節(jié)點(diǎn)在彈性范圍內(nèi)工作；罕遇地震時(shí)節(jié)點(diǎn)承載力的降低不得危及豎向荷載的傳遞；梁柱縱筋在節(jié)點(diǎn)區(qū)應(yīng)有可靠的錨固。除此三個(gè)原則外，影響延性設(shè)計(jì)的因素還有材料強(qiáng)度、軸壓比、配箍率、剪跨比等因素，所以在抗震延性設(shè)計(jì)時(shí)除必須遵循(強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)剪弱彎，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)強(qiáng)錨固)的原則外，還應(yīng)密切注意這些因素帶來(lái)的影響。

3、提高構(gòu)件延性的措施

3.1減小豎向構(gòu)件的軸壓比

豎向構(gòu)件的延性對(duì)防止結(jié)構(gòu)的倒塌至關(guān)重要.對(duì)于鋼筋混凝土豎向構(gòu)件，軸壓比是影響其延性的主要因素之一。試驗(yàn)研究表明，鋼筋混凝土柱子和剪力墻的變形能力隨著軸壓比的增加而明顯下降?？拐鹨?guī)范對(duì)抗震等級(jí)為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)的框架柱和抗震等級(jí)為一級(jí)、二級(jí)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)軸壓比的限制來(lái)進(jìn)行估算。

3.2控制構(gòu)件的破壞形態(tài)

構(gòu)件的破壞形態(tài)機(jī)理和破壞形態(tài)決定了其變形能力和耗能能力.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，一般認(rèn)為彎曲破壞是一種延性破壞，而剪切破壞是一種脆性破壞.因此，控制構(gòu)件的破壞形態(tài)(使構(gòu)件發(fā)生彎曲破壞)，可以從根本上控制構(gòu)件的延性.目前，在鋼筋混凝土構(gòu)件的抗震設(shè)計(jì)中采用“強(qiáng)剪弱彎”(即構(gòu)件的受剪承載力大于受彎承載力)的原則來(lái)控制構(gòu)件的破壞形態(tài)，一般采用增大剪力設(shè)計(jì)值和增加抗剪箍筋的方法來(lái)提高構(gòu)件的受剪承載力，并且通過(guò)驗(yàn)算截面上的剪力來(lái)控制截面上的平均剪應(yīng)力的大小，避免過(guò)早發(fā)生剪切破壞，對(duì)跨高比(或剪跨比)小的構(gòu)件，平均剪應(yīng)力的限制更加嚴(yán)格。

3.3加強(qiáng)抗震構(gòu)造措施

構(gòu)件的延性也與構(gòu)造措施密切相關(guān)，采用合理的構(gòu)造措施能有效地提高構(gòu)件的延性，對(duì)于不同類型的構(gòu)件可采取不同的抗震構(gòu)造措施。

3.3.1 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，增加梁端的轉(zhuǎn)動(dòng)能力，從而提高梁的變形能力。試驗(yàn)研究表明，當(dāng)梁截面的受壓區(qū)相對(duì)高度x/h0在0.2～0.35時(shí)，梁的曲率延性系數(shù)可在4左右.因此，需限制梁端截面的受壓區(qū)相對(duì)高度。此外，在梁端塑性鉸區(qū)縱筋屈服的范圍內(nèi)，可達(dá) 1.5～2.0倍的梁高)配置加密的封閉式箍筋，間距小于6～8倍的縱筋直徑，可以提高該范圍的壓區(qū)混凝土的極限壓應(yīng)變，并防止在塑性鉸區(qū)內(nèi)壓筋過(guò)早壓屈和最終發(fā)生剪切破壞，從而保證梁有較大的延性。

3.3.2 鋼筋混凝土框架柱

實(shí)際震害表明，在反復(fù)地震作用下，柱端的保護(hù)層往往首先剝落.此時(shí)，若無(wú)足夠的箍筋約束，在壓力作用下，縱筋就會(huì)向外膨曲，柱端破壞.箍筋對(duì)柱子的核心區(qū)混凝土具有較強(qiáng)的約束作用，提高配箍率可以顯著提高受壓區(qū)混凝土的極限壓應(yīng)變，從而增加柱子的變形能力。因此，在框架柱的兩端需配置加密的封閉式箍筋(間距小于6～8倍的縱筋直徑)，抗震規(guī)范還對(duì)箍筋加密區(qū)的體積配箍率的最小限制作了規(guī)定.對(duì)于短柱(一般指剪跨比不大于2的柱)，由于變形能力差，需要沿整個(gè)高度配置加密箍筋.此外，柱子中配箍的形式對(duì)其變形能力也有較大的影響。試驗(yàn)研究表明，采用螺旋箍、復(fù)合螺旋箍或連續(xù)復(fù)合螺旋箍，可顯著提高柱子的極限變形能力。根據(jù)日本的試驗(yàn)報(bào)告，相同柱截面，相同配筋、配箍率，相同箍距和箍筋肢距，采用連續(xù)復(fù)合螺旋箍的柱子的極限變形比采用一般復(fù)合箍筋的柱子提高25%.采用這類箍筋形式的柱子，軸壓比的限值可適當(dāng)放寬。

3.3.3 鋼筋混凝土剪力墻

在墻端部設(shè)置邊緣構(gòu)件(暗柱、明柱、翼柱)，將墻體的縱向鋼筋量的大部分集中于兩端邊緣構(gòu)件處，并在邊緣構(gòu)件中配置足夠的橫向箍筋以約束其中的混凝土，可以防止初始的斜裂縫貫穿墻面，使剪力墻的塑性鉸一般出現(xiàn)在底部，為了保證剪力墻在出現(xiàn)塑性鉸后具有較高的延性，在該范圍內(nèi)需加強(qiáng)構(gòu)造措施，如增加墻體厚度、設(shè)置約束邊緣構(gòu)件、增加抗剪箍筋、箍筋全長(zhǎng)加密等)，提高其抗剪破壞的能力。

4、結(jié)語(yǔ)

建筑工程出現(xiàn)的諸多問(wèn)題，例如汶川地震的發(fā)生造成大量的建筑坍塌，說(shuō)明建筑延性設(shè)計(jì)對(duì)于建筑剛度以及承載負(fù)荷起到非常重要的作用，在進(jìn)行建筑混凝土延性設(shè)計(jì)，要合理布置構(gòu)件位置，確?；炷两Y(jié)構(gòu)的延性，做好每一個(gè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制，才能確保建筑工程質(zhì)量在遇到地震等自然災(zāi)害的時(shí)候，最大程度的降低危害的發(fā)生。

[1]張文魁.談提高建筑結(jié)構(gòu)延性措施[J]. 山西建筑. 2011(33)

[2]李宏.建筑結(jié)構(gòu)延性抗震設(shè)計(jì)分析[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào). 2010(03)

[3]易偉建，李浩.基于貝葉斯網(wǎng)的結(jié)構(gòu)延性需求分析[J]. 土木工程學(xué)報(bào). 2009(11)

G322

B

1007-6344（2015）03-0282-01