王跃翰　李永乾

摘要:钢筋混凝土结构的各类构件应具有必要的强度和刚度,并具有良好的延性性能,避免构件的脆性破坏,从而导致主体结构受力不合理,地震时出现过早破坏。因此,可以采取措施,做好延性设计,防止构件在地震作用下提前破坏,并避免结构体系出现不应有的破坏。

关键词:钢筋混凝土结构 构件 延性设计

中图分类号:TU37文献标识码:A文章编号:1006-8937(2009)03-0061-02

1 前言

在现代房屋结构设计中,延性研究越来越显得重要,钢筋混凝土结构延性的研究是塑性设计方法和抗震设计理论发展的基础。所谓延性是指材料、构件和结构在荷载作用下,进入非线性状态后在承载能力没有显著降低情况下的变形能力。描写延性常用的变量有:材料的韧性,截面的曲率延性系数,构件或结构的位移延性系数,塑性铰转角能力,滞回曲线,耗能能力等。试验和非线性计算分析表明:构件的结构的破坏由受拉钢筋引起的,常表现出良好的延性,如适筋梁、大偏心受压柱等;而破坏由混凝土拉断、剪坏和压溃控制的常表现为脆性,如素混凝土板、超尽梁、地震作用下剪切破坏的短柱等。

对于建筑结构系统来说,一方面,钢筋混凝土构件的功能依赖于整体结构系统功能,任何构件一旦离开整体结构,就不再具有它在结构系统中所能发挥的功能;另一方面,构件又影响整体结构系统的功能,任何构件一旦离开整体结构,整体结构丧失的功能不等于该构件在结构系统中所发挥的功能,可能更大,也可能更小。在地震作用下,有可能由于部分构件的破坏乃至退出工作,整个结构体系会因此破坏,这里的部分构件包括了结构构件以及非结构构件。

在地震作用下,混凝土结构或构件的破坏可分为脆性破坏和延性破坏两种,其中脆性破坏的危害时非常大的,设计上是一定要避免的,而延性破坏时指构件承载力没有显著降低的情况下,经历很大的非线性变形后所发生的破坏,在破坏前能给人以警示。钢筋混凝土结构的各类构件应具有必要的强度和刚度,并具有良好的延性性能,避免构件的脆性破坏,从而导致主体结构受力不合理,地震时出现过早破坏。因此,可以采取措施,做好延性设计,防止构件在地震作用下提前破坏,并避免结构体系出现不应有的破坏。

2 延性设计的重要性

目前,结构抗震设计的基本原则是:“ 小震不坏,中震可修,大震不倒”。如果把建筑物设计成在强烈地震作用下仍呈弹性反应,那么建筑物的造价将是十分昂贵的。把建筑物设计成在强烈地震作用下呈非线性反应,进入屈服状态,靠结构的延性耗散地震能量,从而度过灾难而不倒塌,建筑物的造价比前者大大降低。此外,结构的延性也是建筑物遇到意外超载、碰撞、爆炸和基础沉降等引起超过设计预计的内力和变形是而不突然倒塌的保证。

在实际工程中进行延性设计有重大的意义,可从延性结构的优越性加以说明:

第一,破坏前有明显预兆,破坏过程缓慢,确保生命安全,减少财产损失,因而可采用偏小的计算安全可靠度。

第二,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。而这些因素在设计中一般是未予考虑的,因此延性材料的后期变形能力可作为出现上述情况的安全储备。

第三,有利于实现超静定结构的内力充分重分布。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。

第四,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,降低动力反应,减轻破坏程度,防止结构倒塌以及有利于修复。

第五,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。

结构抗震的本质就是延性,用受弯构件来说举例: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。

3 影响构件延性的因素

3.1纵向钢筋配筋率

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。理论上,当梁的纵向配筋率取为平衡配筋率时,纵向受拉钢筋屈服与压区混凝土压碎同时发生,截面延性系数为零。因此,应限制纵向受拉钢筋配筋率,保证构件具有足够的延性。混凝土受压区配置受压钢筋,可以减少相对受压区高度,改善构件延性。

3.2约束构件延性

在受压构件或压弯构件中配置封闭式箍筋、螺旋筋等密排横向钢筋,可以限制混凝土的横向变形,提高构件的承载力和极限变形能力,使得混凝土构件在极限荷载下具有良好延性性能。

箍筋对构件延性的贡献,取决于箍筋的形式和体积配箍率。不同形式的箍筋对核心区混凝土的约束作用时不相同的,螺旋箍筋对核心区混凝土产生均匀分布的侧向压力,使混凝土处于三向受压状态,矩形箍筋只对角隅处混凝土产生有效的约束,侧面混凝土有外凸的趋势,约束作用降低。因此配有螺旋箍筋的构件,其延性好于配有矩形箍筋的构件。

3.3构件的破坏类型

以砼框架结构为例,截面的破坏形态有剪切破坏、弯曲破坏、小偏心的受压破坏,大偏心的受压破坏。但按受力特点可分为两类:受压破坏和受拉破坏。其中弯曲破坏和大偏心受压破坏属于受拉破坏,剪切破坏和小偏心受压破坏属于受压破坏。受拉破坏是由受拉钢筋屈服引起的破坏,受拉钢筋进入屈服阶段形成塑性铰,在截面完全破坏达到承载力极限状态前,要经历较大的塑性变形才达到承载力极限状态,由于形成了塑性铰,截面塑性变形引起截面裂缝急剧开展和变形急剧增加,而后混凝土才达到极限压应变压碎,到达承载力极限状态,截面破坏阶段能给人以明显的破坏预兆,具有延性破坏的性质;受压破坏是由受压砼压碎引起或斜截面控制的破坏,破坏过程中未形成塑性铰无明显的塑性变形,不能给人以明显的破坏预兆,由于这种破坏带有一定的突然性,具有脆性破坏的性质。当结构中截面出现受压破坏时,塑性变形小,结构延性差;当结构中截面出现受拉破坏时,塑性变形大,结构延性好。

4 钢筋混凝土结构的延性保证

钢筋混凝土结构中钢筋的塑性变形性能、混凝土的韧性及钢筋与混凝土的粘结锚固性能对结构的延性影响较大,在材料的选用上要考虑这些因素。构件的纵筋易选用延伸率较大、与混凝土粘结性能好的Ⅱ、Ⅲ级钢筋。采用冷拉钢筋、高强钢筋(丝)和钢绞线等延伸率较低的钢筋配制预应力混凝土结构,只要适当配置热轧非预应力钢筋、保证配筋指数不超过一定限制和适当提高箍筋构造要求,结构的延性也可满足抗震要求。混凝土的强度和施工质量对钢筋的粘结锚固至关重要,而只有避免钢筋与混凝土的粘结锚固失效才能确保结构的延性。因此,为确保钢筋与混凝土的粘结,规范规定:一级抗震的框架要求混凝土强度等级不低于C30,其它抗震等级时不低于C20。C60 和C60以上的高强混凝土本身的韧性降低,对结构的延性不利。

4.1轴压比限值

柱的轴压比是影响框架结构延性的重要因素。柱的延性随轴压比增大而减小,轴压比超过界限值将发生小偏压脆性破坏。在抗震设计中应控制柱的轴压比不超过限值,使其发生大偏压破坏并具有一定延性。规范规定,对于框架柱相应于一、二、三级抗震时,轴压比限值分别为0.7、0.8、0.9。这里规定的轴压比限值系指柱轴压力设计值与柱轴压承载力设计值得比值。

4.2筋的构造要求

梁的延性随截面受压区高度减小而增大,一般截面受压区高度=0.35∶0.20ho时,位移延性系数相应为3～4。所以规范规定,一级抗震等级时,≤0.25ho,二、三级抗震等级时,≤0.35h0,并且要求受压钢筋与受拉钢筋之比控制在一定范围内,即A' s≥0.5As(一级抗震),A' s≥0.3As(二级抗震)。为防止过多的纵向受拉钢筋在地震中使梁产生粘结劈裂破坏,规范还规定s≤2.5%。在地震作用下,梁的反弯点变化很难准确预计,所以应有足够数量的钢筋贯通梁的上、下部。同时将梁的最小配筋率比非地震作用时的规定予以提高。为防止地震作用下柱子少筋脆性破坏和超筋粘结劈裂破坏,柱的纵向配筋率不得少于0.8%、0.7%、0.6%、0.5%、(相应于一、二、三、四级抗震等级),角柱的上述限值相应提高0.1%;柱的纵向配筋率最大间距不宜超过200 mm。

4.3箍筋的构造要求

箍筋不仅提供构件和节点的抗剪能力,确保“强柱弱梁”和“强节点”设计目标的实现,同时还对梁、柱塑性铰区混凝土和受压钢筋提供约束作用,延缓塑性铰的破坏过程,从而改善结构的延性和耗能能力。梁和柱的剪切破坏区和弯压塑性铰区均发生在构件的两端,因此应对构件两端的箍筋加密设置。加密区的构造要求包括加密区的长度、箍筋最小直径、最大间距和最小体积率的规定。同时规范还规定了箍筋延构件全长的最小体积率以及节点的最小体积率。其中柱加密区和节点的箍紧最小体积率除与抗震等级有关外,还与柱的轴压比和箍筋的类型有关。抗震等级高要求的最小体积率高、轴压比高要求的最小体积率高,采用普通箍筋比采用螺旋箍筋要求的体积率高。对于一级抗震的角柱在地震作用下可能伴随扭转作用,Hn/h 小于4的框架柱可能产生剪切破坏,这两种情况需要在全长加密箍筋。可见箍筋的构造规定是保证“大震不倒”设计目标实现的最重要的措施。

5 结语

从钢筋混凝土结构的抗震设计基本原则,到结构抗震承载力和变形验算以及抗震构造措施的制定,都离不开对结构和构件延性的深入研究。更好的研究它和应用它,使建筑物既能达到国家抗震设计标准,又能够符合经济合理的原则。

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