鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)延性分析論文
摘要：結(jié)構(gòu)的塑性變形能力和抗震能力主要依靠延性來提供，結(jié)構(gòu)的延性和強(qiáng)度是研究其抗震性能的重要指標(biāo)，因此，結(jié)構(gòu)的延性是否足夠影響著結(jié)構(gòu)的抗震性能是夠能夠滿足設(shè)計(jì)要求。本文主要從定義、計(jì)算、影響因素、如何提高延性等方面來探究鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的延性，從而為結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)提供可行性比較高的設(shè)計(jì)方式。
關(guān)鍵詞：延性；鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；變形；抗震
引言
提高構(gòu)件的靜力承載力、變形性能可以大大提高建筑物的抗震能力，從而大大提高建筑物的安全性，此外，建筑物的抗震能力和安全性還取決于構(gòu)件的動(dòng)力響應(yīng)以及吸收和耗散能量的能力，綜上所述，建筑物的抗震性能和安全性主要是承載能力和變形能力所決定的。如果建筑結(jié)構(gòu)的承載能力不足但是其變形能力很好，這樣的結(jié)構(gòu)能夠在地震發(fā)生時(shí)吸收較多的能量，即使在早期發(fā)生破壞，但是由于變形能力好而能夠承受更大的變形，建筑物不易發(fā)生倒塌。與之相比，若建筑結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度達(dá)到了要求，但是其變形能力很差，這樣的結(jié)構(gòu)屬于脆性結(jié)構(gòu)，在地震發(fā)生時(shí)吸收的能量很少，一旦地震作用超過了設(shè)計(jì)時(shí)考慮的設(shè)計(jì)水平，建筑物就會(huì)由于發(fā)生脆性破壞而出現(xiàn)突然倒塌的現(xiàn)象，這樣的破壞形式更為不合理。因此，在地震多發(fā)地區(qū)的建筑物設(shè)計(jì)時(shí)首先要考慮延性設(shè)計(jì)以提高建筑物的抗震性能。
1、定義
結(jié)構(gòu)的延性代表著結(jié)構(gòu)的變形能力，即在不影響結(jié)構(gòu)承載能力的前提下發(fā)生塑性變形的能力。結(jié)構(gòu)的延性直接反映了結(jié)構(gòu)地震時(shí)發(fā)生塑性變形的能力，決定著結(jié)構(gòu)在發(fā)生地震時(shí)是否能夠防止倒塌。受彎構(gòu)件在承受荷載的過程中，受拉區(qū)的混凝土首先出現(xiàn)裂縫，其變形屬于非彈性變形，隨之，受拉鋼筋出現(xiàn)屈服，此時(shí)的受壓區(qū)混凝土被壓碎，從而構(gòu)件發(fā)生破壞。從受拉鋼筋屈服到構(gòu)件破壞這一過程中，構(gòu)件的承載力沒有發(fā)生多大的變化，但構(gòu)件的變形能力決定了其破壞的性質(zhì)。如果這種后期非彈性變形能力很大，延性就越好，其破壞成為延性破壞；反之，延性就差，成為脆性破壞。如圖1所示，鋼筋混凝土受彎構(gòu)件在脆性破壞和延性破壞形式下的荷載—撓度曲線可以很直觀地表現(xiàn)出來。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的延性可以分為三個(gè)方面來理解其概念：首先是結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面的延性，延性的好壞取決于截面破壞的形式，截面的破壞形式一般可分為剪切破壞以及彎曲破壞，如果截面發(fā)生的是彎曲破壞，那截面的延性主要受截面受壓區(qū)高度的影響，截面的受壓區(qū)高度越小，則截面產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)越大，從而構(gòu)件截面的延性就越好，反之，截面的受壓區(qū)高度越大，則構(gòu)件截面的延性就越差；其次是結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性，構(gòu)件的延性主要受構(gòu)件的約束條件的影響，此外，構(gòu)件的延性還與塑性鉸的出現(xiàn)次序、構(gòu)件截面的延性有關(guān)；最后是結(jié)構(gòu)的延性，結(jié)構(gòu)延性的大小主要取決于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度對(duì)比。在度量延性大小的時(shí)候有一個(gè)很重要的指標(biāo)，即延性系數(shù)。延性系數(shù)主要包括三種，這三種延性系數(shù)分別是曲率延性系數(shù)、位移延性系數(shù)和轉(zhuǎn)角延性系數(shù)。曲率延性系數(shù)μφ=φu/φy一般用來表示截面的延性，φu為極限狀態(tài)下的曲率，φy為屈服狀態(tài)下的曲率；位移延性系數(shù)μΔ=Δu/Δy和轉(zhuǎn)角延性系數(shù)μθ=θu/θy通常用來表示結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的延性系數(shù)，Δu為極限狀態(tài)下的位移，Δy為屈服狀態(tài)下的位移，θu為極限狀態(tài)下的轉(zhuǎn)角，θy為屈服狀態(tài)下的轉(zhuǎn)角。一般認(rèn)為，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)要滿足抗震要求，其延性系數(shù)要在3到4之間。
2、影響因素
根據(jù)曲率的計(jì)算公式φy=εs/（d—kd）和φu=εc/c，分析可知：（1）受拉鋼筋含量的增加降低了延性。因?yàn)榇藭r(shí)受拉鋼筋屈服時(shí)的受壓區(qū)高度kd和構(gòu)件破壞時(shí)的受壓區(qū)高度c都增大了，所以φy增大，φu減小，從而，μφ=φu/φy減小，延性降低。（2）受壓鋼筋含量的增加提高了延性。因?yàn)榇藭r(shí)受拉鋼筋屈服時(shí)的受壓區(qū)高度kd和構(gòu)件破壞時(shí)的受壓區(qū)高度c都減小了，所以φy減小，φu增大，從而，μφ=φu/φy減小，延性提高。（3）提高受拉鋼筋的屈服強(qiáng)度降低了延性。因?yàn)榇藭r(shí)受拉鋼筋屈服時(shí)的受壓區(qū)高度kd和構(gòu)件破壞時(shí)的受壓區(qū)高度c都增大了，所以φy增大，φu減小，從而，μφ=φu/φy減小，延性降低。（4）提高混凝土的抗壓強(qiáng)度提高了延性。因?yàn)榇藭r(shí)受拉鋼筋屈服時(shí)的受壓區(qū)高度kd和構(gòu)件破壞時(shí)的受壓區(qū)高度c都減小了，所以φy減小，φu增大，從而，μφ=φu/φy減小，延性提高。（5）預(yù)應(yīng)力的存在降低了構(gòu)件的延性。對(duì)構(gòu)件施加預(yù)應(yīng)力的目的是為了控制其變形（撓度和裂縫），就受彎構(gòu)件而言，預(yù)應(yīng)力對(duì)承載力影響不大，卻延長(zhǎng)了未裂階段，縮短了帶裂縫工作階段，大大地降低了構(gòu)件破壞時(shí)的非彈性變形能力，即延性。
3、保證措施
前面介紹的關(guān)于延性的.定義以及影響延性的因素，最重要的目的是為了提高建筑物的延性以提高其抗震性能。地震作用的實(shí)質(zhì)就是一種周期較低的交變循環(huán)荷載，當(dāng)?shù)卣鹱饔糜诮Y(jié)構(gòu)上時(shí)，結(jié)構(gòu)反應(yīng)的變形特性（恢復(fù)力特性曲線）與單調(diào)一次加載時(shí)的曲線是不同的，因此關(guān)于抗震結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計(jì)在計(jì)算的時(shí)候是十分復(fù)雜的。實(shí)際進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的時(shí)候，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的延性一般不作具體的計(jì)算，保證結(jié)構(gòu)（或構(gòu)件）足夠的延性主要依靠構(gòu)造措施。
（1）如果建筑物是砌體結(jié)構(gòu)，一般通過設(shè)置構(gòu)造柱與圈梁的方式增加其延性，這樣的方式能夠?qū)w產(chǎn)生較大的約束作用，在建筑物遇到較大的地震作用時(shí)，建筑物能夠保證良好的變形能力，從而大大增加了結(jié)構(gòu)的整體延性。這是一種十分有效的抗倒塌措施，為了保證構(gòu)造柱和圈梁的約束作用能夠發(fā)揮其效用，必須嚴(yán)格按照規(guī)范的要求進(jìn)行設(shè)置構(gòu)造柱和圈梁。
�。�2）如果建筑物屬于框架結(jié)構(gòu)，那么在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的時(shí)候首先要先確定一個(gè)方向，即抗震設(shè)計(jì)并沒有要求構(gòu)件的截面受彎承載力越高越好，正確的方式應(yīng)該是框架兩端可以先出現(xiàn)塑性鉸，柱中盡量推遲或者不出現(xiàn)塑性鉸，滿足“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計(jì)要求。梁端塑性鉸在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，梁和柱的受彎承載力不能超過其受剪承載力，滿足“強(qiáng)剪弱彎”的設(shè)計(jì)要求。在這些設(shè)計(jì)要求都滿足之后，根據(jù)這種方式設(shè)計(jì)出的梁鉸型延性框架遇到強(qiáng)烈的地震作用時(shí)，其變形能力會(huì)比較強(qiáng)，并且這樣的結(jié)構(gòu)能夠很好的吸收和耗散地震能量。由于框架底層柱根部過早的出現(xiàn)塑性鉸會(huì)使得整體框架延性及耗能能力減弱，因此，為了避免這種情況的發(fā)生，規(guī)范規(guī)定，梁底層柱的抗彎能力需要加強(qiáng)，還應(yīng)限制柱的軸壓比，對(duì)柱端進(jìn)行箍筋加密，規(guī)定縱向鋼筋的最大配筋率，從而保證框架柱具有足夠的延性。此外，為了保證框架梁的延性足夠，規(guī)范規(guī)定，梁的截面寬度在設(shè)計(jì)的時(shí)候不應(yīng)太小，這樣會(huì)限制縱向受拉鋼筋的配置，還規(guī)定鋼筋在受壓區(qū)和受壓區(qū)的面積比值，梁端的箍筋加密也做出了一系列的要求。
4、結(jié)語
延性設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)中是十分重要的，采取合理的構(gòu)造措施，就可以保證結(jié)構(gòu)的整體性，增強(qiáng)抗震結(jié)構(gòu)的延性性能，從而提高結(jié)構(gòu)的變形能力，保證整個(gè)建筑物實(shí)現(xiàn)抗震設(shè)防。
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