结构延性与抗震设计

　　一、结构在地震下的主要特点
　　地震以波的形式从震源（地面上的相对位置称震中）向周围快速传播，通过岩土和地基，使建筑物的基础和上部结构产生不规则的往复振动和激烈的变形。结构在地震时发生的相应运动称为地震反应，包括位移、速度、加速度。同时，结构内部发生很大的内力（应力）和变形，当它们超过了材料和构件的各项极限值后，结构将出现各种不同程度的破坏现象，例如混凝土裂缝，钢筋屈服，显著的残余变形，局部的破损，碎块或构件坠落，整体结构倾斜，甚至倒塌等等。
　　在震中区附近，地面运动的垂直方向振动激烈，且频率高，水平方向振动较弱；距震中较远处，垂直方向的振动衰减快，其加速度峰值约为水平方向加速度峰值的1／2～1／3.因此，对地震区的大部分建筑而言，水平方向的振动是引起结构强烈反应和破坏的主要因素。钢筋混凝土结构在地震作用下受力性能的主要特点有：
　　1、结构的抗震能力和安全性，不仅取决于构件的（静）承载力，还在很大程度上取决于其变形性能和动力响应。地震时结构上作用的“荷载”是结构反应加速度和质量引起的惯性力，它不像静荷载那样具有确定的数值。变形较大，延性好的结构，能够耗散更多的地震能量，地震的反应就减小，“荷载”小，町能损伤轻而更为安全。相反，静承载力大的结构，可能因为刚度大、重量大、延性差而招致更严重的破坏。
　　2、屈服后的工作阶段——当发生的地震达到或超出设防烈度时，按照我国现行规范的设计原则和方法，钢筋混凝土结构一般都将出现不同程度的损伤。构件和节点受力较大处普遍出现裂缝，有些宽度较大；部分受拉钢筋屈服，有残余变形；构件表面局部破损剥落等。但结构不致倒塌。
　　3、“荷载”低周的反复作用——地震时结构在水平方向的往复振动，使结构的内力（主要是弯矩和剪力，有时也有轴力）发生正负交变。由于地震的时间不长且结构具有阻尼，荷载交变的反复次数不多（即低周）。所以，必须研究钢筋混凝土构件在低周交变荷载作用下的滞回特征。
　　4、变形大——地震时结构有很大变形。例如桥墩的侧向位移等。一方面对结构本身产生不利影响，如柱的二阶（P—A）效应，增大附加弯矩，甚至引起失稳或倾覆，构造缝相邻结构的碰撞等；另一方面造成非结构部件的破损，桥梁上部结构的脱落等破坏。故抗震结构设计时要控制其总变形。
　　二、单调荷载下的延性
　　1、材料、构件或结构的延性通常定义为在初始强度没有明显退化情况下的非弹性变形的能力。它包括两个方面的能力：
　　（1）承受较大的非弹性变形，同时强度没有明显下降的能力。
　　（2）利用滞回特性吸收能量的能力。
　　图10-1的广义力一变形（9—D）曲线可以概括地说明延性的概念。其中一条曲线在经过弹性变形、塑性应变之后在硬化充分发展后软化；而另一条在达到其承载能力之后没有或几乎没有硬化过程而直接软化，有明显的尖峰。前者称为延性而后者称为脆性。
　　在实际工程中判断结构的脆性或延性有重大的意义，可从延性结构的优越性加以说明：
　　（1）破坏前有明显预兆，破坏过程缓慢，因而可采用偏小的计算安全可靠度。
　　（2）出现非预计荷载，例如偶然超载，荷载反向，温度升高或基础沉降引起附加内力等情况下，有较强的承受和抗衡能力。
　　（3）有利于实现超静定结构的内力充分重分布。
　　（4）在承受动力作用（如振动、地震、爆炸等）情况下，能减小惯性力，吸收更大动能，减轻破坏程度，有利于修复。
　　（5）延性结构的后期变形能力，可以作为各种意外情况时的安全储备。
　　2.延性指标
　　在利用延性特性设计抗震结构时，首先必须确定度量延性的量化指标。衡量结构和材料的延性一般用延性系数，其定义为：在保持结构或材料的基本承载能力的情况下，极限变形0u和初始屈服变形D，的比值，即：
　　当广义变形D定义为具体物理量时，就有相应的延性系数，如截面曲率延性系数^／P＼构件或结构的位移延性系数B、转角延性系数B等，则：
　　最常用的是曲率延性系数（也称曲率延性比）和位移延性系数（也称位移延性比）。曲率延性系数通常用于反映构件临界截面的相对延性，位移延性系数则用于反映构件局部或结构整体的相对延性。
　　一般认为钢筋混凝土抗震结构要求的延性系数为B=3-4.
　　三、延性在抗震设计中的重要性及其作用
　　在我国现在的多高层建筑中，钢筋混凝土结构应用最为普遍，其中钢筋混凝土框架结构是最常用的结构形式。因为其具有足够的强度、良好的延性和较强的整体性，目前广泛用于地震设防地区。钢筋混凝土框架结构具有良好的抗震性能，然而未经合理设计的框架结构会在地震作用下产生较严重的震害。结构抗震的本质就是延性， 延性是指构件和结构屈服后，在承载能力不降低或基本不降低的情况下，具有足够塑性变形能力的一种性能，一般用延性比来表示。对于受弯构件来说，随着荷载增加，首先受拉区混凝土出现裂缝，表现出非弹性变形。然后受拉钢筋屈服，受压区高度减小，受压区混凝土压碎，构件最终破坏。从受拉钢筋屈服到压区混凝土压碎，是构件的破坏过程。在这过程中，构件的承载能力没有多大变化，但其变形的大小却决定了破坏的性质。是钢筋砼受弯构件的M—Δ（Φ） 曲线，Δy 是屈服变形，Δu 是极限变形。提高延性可以增加结构抗震潜力，增强结构抗倒塌能力。延性结构通过塑性铰区域的变形，能够有效地吸收和耗散地震能量；同时，这种变形降低了结构的刚度，致使结构在地震作用下的反应减小，也就是使地震对结构的作用力减小。当结构设计成为延性结构时，由于塑性变形可以耗散地震能量，结构变形虽然会加大，但结构承受的地震作用不会很快上升，内力也不会再加大，因此具有延性的结构可降低对结构的承载力要求，也可以说，延性结构是用它的变形能力来抵抗罕遇地震作用；反之，如果结构的延性不好，则必须有足够大的承载力抵抗地震。后者会多用材料，对于地震发生概率极少的抗震结构，延性结构是一种经济的设计对策。此外，延性可以使超静定结构的内力得以充分重分布，采用塑性内力重分布方法设计时，同样也可以节约钢筋用量，取得较好的经济效果。因此可以说结构的延性和结构的强度是同等重要的。延性好的结构的破坏我们称之为塑性破坏，延性差的结构的破坏我们称之为脆性破坏，塑性破坏能提前给人以预兆，是符合结构设计理论的。
　　结构延性在抗震中之所以如此重要，是因为结构延性具有如下作用 .
　　①、防止脆性破坏
　　由于钢筋混凝土结构或构件的脆性破坏是突发性的，没有预兆，所以为了保障人们生命财产安全，除了对构件发生脆性破坏时的可靠指标有较高要求以外，还要保证结构或构件在破坏前有足够的变形能力。
　　②、承受某些偶然因素的作用
　　结构在使用过程中可能会承受设计中未考虑到的偶然因素的作用，比如说，偶然的超载、基础的不均匀沉降、温度变化和收缩作用引起的体积变化等。这些偶然因素会在结构中产生内力和变形，而延性结构的变形能力，则可作为发生意外情况时内力和变形的安全储备。
　　③、实现塑性内力重分布
　　延性结构容许构件的某些临界截面有一定的转动能力，形成塑性铰区域，产生内力重分布，从而使钢筋混凝土超静定结构能够按塑性方法进行设计，得到有利的弯矩分布，使配筋合理，节约材料，而且便于施工。
　　④、有利于结构抗震
　　在地震作用下，延性结构通过塑性铰区域的变形，能够有效地吸收和耗散地震能量，同时，这种变形降低了结构的刚度，致使结构在地震作用下的反应减小，也就是使地震对结构的作用力减小，因此，延性结构具有较强的抗震能力。
　　四、影响结构延性的主要因素
　　框架结构是由梁、板、柱以及节点这四部分组成，其中梁、柱以及节点的延性决定了整个框架结构的延性。因此，只要保证柱、梁和节点的延性也就保证的框架结构的延性，从而也就确保了框架结构的抗震能力。
　　1、影响梁延性的主要因素：梁是框架结构中的主要受力构件之一，在抗震设计中要求塑性铰首出现在梁端且其又不能发生剪切破坏，同时还要防止由于梁筋屈服渗入节点而影响节点核心区的性能。试验和理论分析表明，影响梁截面延性的主要因素有：
　　①、梁截面尺寸。在地震作用下，梁端塑性铰区混凝土保护层容易剥落，故梁截面宽度过小则截面损失比例较大，所以一般框架梁宽度不宜小于200mm.同时为了提高节点剪力、避免梁侧向失稳及确定梁塑性铰区发展范围，分别要求梁宽不宜小于柱宽的1/2、梁的高宽比不宜大于4、梁的跨高比不宜小于4.
　　②、梁纵筋配筋率。试验表明，当梁纵向受拉钢筋配筋率很高时，在弯矩达到最大值时，弯矩——曲率曲线很快出现下降；当配筋率较低时，弯矩达到最大值后能保持相当长的水平段，因而大大提高了梁的延性和耗散能量的能力。
　　国外一般有如下三种设计方案：（1）较高地震力——较低延性方案；（2）中等地震力——中等延性方案；（3）较低地震力——较高延性方案。高地震力方案主要保证结构的承载力，低地震力方案主要保证结构的延性。实际震害表明，这三种方案，从抗震效果和经济性来看，都能达到设防目标。我国的抗震设计采用的是方案（3）即较低地震力——较高延性方案，即采用明显小于设防烈度的小震地面运动加速度来确定结构的设计地震作用，并将它与其他荷载内力进行组合，进行截面设计，通过钢筋混凝土结构在屈服后的地震反应过程中形成较为有利的耗能机构，使结构主要的耗能部位具有良好的屈服后变形能力来实现“大震不倒”的目标。当然，我们还要看到一点，虽然这三个方案都能保证“大震不倒”，但是在改善结构在中小地震下的性态方面，方案（3）仅仅提高结构的延性水平而结构的屈服水准并没有明显提高是明显不如方案（1）和（2）的。也就是说，在保证“小震不坏，中震可修”方面，方案（1）和（2）是优于方案（3）的。