延性设计（精选9篇）
延性设计 篇1
摘要：我国是地震多发国家, 所以对建筑结构抗震设计非常重视。随着结构抗震性能的不断研究, 抗震设计思路和理论发生了很大的变化。为了增强建筑钢筋混凝土抗震性能, 很多抗震地区的高层建筑都把结构设计成延性结构。本文将针对高层钢筋混凝土建筑结构, 分析其抗震延性设计要点。
关键词：抗震设计,建筑结构,耗能,延性
高层建筑随着房屋层数的增多, 结构荷载能力也要加强。在地震多发区域常用钢筋混凝土来增强结构的强度和整体性能。虽然钢筋混凝土有较强的抗震新年, 但是其框架结构设计不合理也有可能出现比价严重的震害。结构抗震的合理性是根据结构延性来判断的 (图一) 。结构延性是指构件和结构的某个截面在屈服后, 能够达到最大的承载能力或者承载能力基本不降低, 并且能够吸收一定能量, 能够避免脆性破坏, 且具有足够塑性变形能力的一种性能。结构的延性常常用延性比来表示。
1 建筑结构抗震延性设计
地震过程中很多很多建筑结构都会进入弹塑性状态。结构延性设计能够在材料、构件和结构在荷载作用下屈服之后依然有足够的变形能力, 变形降低了结构的刚度, 结构在地震作用下的反应减小, 然后依靠结构弹塑性变形来消耗和吸收地震能量, 保证屈服部分发生延性破坏, 保证整个结构的不会倒塌。所以在抗震设计中, 要考虑结构的延性设计, 提高抗震结构的延性性能。
2 影响建筑结构抗震延性设计的主要因素
2.1 梁截面尺寸
一般框主梁宽度不宜小于200mm, 次梁宽度不宜小于150mm。抗震结构下为了保证梁端塑性铰区混凝土保护层不剥落, 梁截面宽度会设置宽一点, 一般根据梁高来确定。梁的宽度取1/2~1/3梁高, 宽度不大于支撑柱在该方向的宽度。
2.2 钢筋的配筋率
位移延性和配箍率成正比, 箍筋间距越, 配箍率越大, 延性的增长也越显著。钢筋配筋率能够增加混凝土横向变形约束和极限压应变, 还可以提高结构构件抗弯矩能力, 提高塑性铰的转动能力。纵向钢筋配筋率增加对框架柱截面的延性是有力的, 但是当纵向配筋率达到一定的值, 对框架柱变形能力的影响作用变弱了, 而且纵向配筋率过大, 还会使柱子产生剪力破坏和粘接破坏。所以纵向配筋率要根据规范标准来确定。高层建筑结构抗震设计分别在一、二、三、四级时, 为了防止柱的脆性破坏和劈裂破坏, 柱纵向配筋率一般不少于0.8%、0.7%、0.6%、0.5%。
2.3 材料的强度
建筑材料是结构整体延性设计的基础。钢筋混凝土构件除了满足结构强度和刚度外, 还要能够保证其具有较强的延性性能, 避免主体结构受力不合理, 地震时出现过早破坏。通常情况下采用降低构件的轴压比的方法来提高混凝土的强度。但是如果纵向配筋率相同, 提高混凝土标号而会使纵向钢筋配筋率减少, 反而降低位移延性。
2.4 轴压比
柱的轴压比对框架结构延性、压弯构件位移延性有很大的影响。轴压比限值是柱轴压力设计值与柱轴压承载力设计值得比值, 比值超过界限值就很容易发生脆性破坏, 影响结构整体性。在框架柱有一、二、三级抗震时, 轴压比限值分别为0.7、0.8、0.9。
当轴压比过大, 柱的延性随轴压比增大, 因此, 截面必须转动更大的角度才能使受拉区钢筋屈服。这必然使屈服位移大大增加, 从而导致构件延性的大幅降低。
3 钢筋混凝土结构的延性抗震设计
3.1 强柱弱梁
防止建筑在强烈地震下倒塌, “强柱弱梁”是一个良好的手段。框架结构的延性和梁上的塑性铰有关, 强柱弱梁型最先在梁上形成塑性铰来消耗地震作用, 保护框架柱。如果梁中出现塑性铰, 则说明塑性铰所要求的非弹性变形量较小, 塑性铰分布比较均匀。如果柱中出现塑性铰, 则说明非弹性变形集中在某一层的柱中, 因而对柱有较高的延性要求。但是对柱的延性要求常常难以实现, 而且还会出现较大层间侧移, 会危及到整个结构安全。为了保证侧移不会对框架结构的稳定性产生威胁, 在设计的过程中将非弹性变形限制在梁内, 保证框架柱也具备相应的的弯承载能力, 从而减少柱端屈服的可能性。
3.2 强剪弱弯
“强剪弱弯”是一个从结构抗震设计角度提出的一个结构概念, “弯曲破坏”是延性破坏, 是有预兆的, 如开裂或下挠等, 而“剪切破坏”是一种脆性的破坏, 没有征兆性, 一旦某个部位发生剪切破坏就永久性失去抗震能力, 有可能导致整体倒塌。所以“强剪弱弯”就是要保证结构构件和节点不发生脆性破坏, 不会危及到建筑的整体结构安全。为了防止梁、柱在地震是出现脆性破坏, 需要构件这些构件的受剪承载力大于构件屈服时实际达到的剪力值。框架结构“强剪弱弯”在设计时要根据承载力值和剪力值来对实施合理的构造。
3.3 节点强锚固
接点就是梁柱搭接处, 不管是梁还是柱的接点都是结构延性的薄弱环节, 因为节点很容易受到地震水平作用而发生破坏。所以要在在梁铰机构作用之间保证接点和固锚没有被破坏。而框架节点破坏大多是由于节点处核心部位没有箍筋或者箍筋数量较少, 在剪压作用下混凝土出现斜裂缝, 甚至造成纵向箍筋屈服甚至拉断。为了保证框架节点和纵筋锚固不过早破坏, 要在设计梁柱是要注意节点部位的混凝土等级以及箍筋数量。还可以通过在静力设计锚固长度的基础上叠加一定的抗震附加锚固长度, 利用钢筋锚固端的机械锚固措施等来实现的。为保证梁柱屈服后节点仍对其有约束作用, 框架节点设计应严格按照相关的规范进行。
3.4 箍筋的构造要求
箍筋能够保证构件和节点的抗剪能力。为了实现“强柱弱梁”和“强剪弱弯”的目的, 可以增加塑性铰区域内箍筋间距。箍筋还能对梁、柱塑性铰区混凝土和受压钢筋提供约束作用, 改善结构的延性和耗能能力。因为梁和柱的构件破坏大多集中在两端, 所以可以在两端加强箍筋。箍筋的长度、最小直径、最大间距和最小体积率都要根据规范来设计。
4 总结
总之, 要想做好高层钢筋混凝土建筑结构抗震延性设计就必须了解延性的影响因素。在设计过程中我们要进一步研究结构和变形能力以及构件之间的关系, 探索提高结构延性的方法和测量, 高层建筑物的抗震性能达到我国抗震规范。
参考文献
[1]GB50010-2002, 混凝土结构设计规范[S].[2]左宏亮, 戴纳新, 王涛.建筑结构抗震[M].北京:中国水利水电出版社, 2009.
延性设计 篇2
【关键词】高层住宅建筑；短肢剪力墙；延性设计
现代高层建筑施工中，对于楼层高度在12-16层之间的小高层建筑大多采用断肢剪力墙结构进行施工建造，这样既可有效保证建筑结构的刚度和位移，又可使建筑室内空间变得方正而合理。从这一点来看，断肢剪力墙结构的最大特点是能够保证建筑结构的刚度，防止其发生位移，并合理布置建筑室内空间，使之变得方正。
一、短肢剪力墙及其结构的优越性
1、短肢剪力墙结构
短肢剪力墙与普通剪力墙有所区别，在建筑结构中被定义为墙肢长度为墙体厚度5-8倍的剪力墙，是高层以及小高层住宅建筑施工常用的一种建筑结构形式。就目前的短肢剪力墙结构建筑来说，其在实际施工时所采用的短肢剪力墙形式多为“T”型、“L”型、“十”型或者“Z”型和“一”型。需要注意的是，“一”字型短肢剪力墙在实际使用时并不具备较强的抗震性，建筑施工设计时应慎重选择。
2、短肢剪力墙结构的优越性
从结构受力来看，短肢剪力墙结构的受力和变形特征都与一般的框剪结构有所类似，但是在结构内力和刚度分配上，短肢剪力墙则更胜一筹。再加上短肢剪力墙结构因变形而导致的竖向位移比普通框剪结构要小，进而推论短肢剪力墙结构的基础荷载也比框剪结构更加均匀、合理。下面对短肢剪力墙结构的优越性作简要介绍。
2.1墙肢较短，比普通剪力墙结构更能满足建筑平面布置原则，另外还可与建筑结构的竖向布置保持一致，满足建筑结构竖向刚度的要求，减少抗震薄弱部位，达到提高结构抗震性能的目的。
2.2短肢剪力墙结构均会在地震水平压力下呈现出被压弯的状态，使整个剪力墙体的延性得到增大。此外，短肢剪力墙还可有效避免建筑连梁的剪切破坏，并利用自身特点将连梁的延展性也进行适当的增大，以弥补普通剪力墙体系延展性能的不足。
2.3短肢剪力墙取代普通剪力墙结构成为高层建筑施工中常用的结构体系后，施工建材也由原来笨重的钢筋水泥材料转变成了轻质的砌体，降低建筑结构的自重，并在一定程度上节约了建筑施工成本，为建筑企业创造了更大的社会经济效益。
二、实例说明
1、工程概况
2、结构平面布置
为了有效改善短肢剪力墙结构所具备的较差的抗震性能，实际施工作业时，往往会更加注重建筑结构的平面布置问题，并采用适当措施来加强短肢剪力墙结构抗震薄弱部位，提高其抗震性能，使之能更好的满足结构的延性设计要求，并在此基础上保持优良的承载力。
（1）本工程根据建筑的平面布置，采用平面形状和刚度均匀对称的原则，使两个主轴方向的布置协调，其刚度中心和建筑物质心尽量接近，减少偏心距，避免较大地震时结构扭转脆性破坏。
（2）在房间、电梯间、楼梯间的四角，采用Z形、L形、T形或异形的墙肢。短肢墙受力以承担竖向荷载为主，承担水平荷载为辅，其截面尺寸不应小于200mm，全部纵向钢筋配筋率，底部加强区不宜小于1.2%，其它部位不于小于1%。本工程墙肢采用300mm厚，截面高厚比大于5，墙肢之间的梁净跨控制在6.0m以内，避免因梁高偏大而影响室内净高，提高剪力墙的延性。
3、约束边缘构件
需要清楚的是，约束边缘构件是剪力墙墙体结构中的一部分，并不是墙体的支座。在安装和施工该构件时，并不能單纯的套用梁和柱之间的连接工艺。对于应用了短肢剪力墙结构的高层建筑来说，由于建筑剪力墙的墙肢相对较短，约束边缘构件沿墙肢两个方向近于整段墙肢，为了加强墙肢抗震性能，可以把整段墙肢作为约束边缘构件考虑。边缘构件中箍筋的作用是约束混凝土，改善混凝土的受压性能，使剪力墙在地震作用下具有较好的延性和耗能能力。
当剪力墙水平分布筋间距不符合约束边缘构件非阴影部分箍筋或拉筋最大间距时，例如，水平筋间距为200mm，而箍筋或拉筋间距为150mm，若非阴影部分只配置拉筋，则有部分拉筋将无法拉住水平筋。此时，拉筋无法对混凝土形成有效约束，不利于改善混凝土受压性能和增大延性，这种情况应考虑同时配置箍筋和拉筋。为了充分发挥约束边缘构件的作用，箍筋的长边不宜大于短边的3倍，且相邻2个箍筋应至少相互搭接1/3长边的距离。在设计和施工中，仅将剪力墙水平分布筋锚入边缘构件中或与边缘构件箍筋搭接的做法不符合规范要求，应将水平分布筋伸至墙肢端部，并垂直弯折15d（对端柱当锚入长度不小于1或1时可不弯折），使约束边缘构件满足承载力和延性作用，使其具有一定的耗能作用。
三、结束语
综上所述，就现阶段的高层住宅建筑来说，其在施工时为了保证建筑结构的刚度和位移，保证室内空间布置的方正合理，大多会采用短肢剪力墙结构来进行施工。短肢剪力墙结构以特有的灵活性和可调整性，目前已成为高层建筑施工中的宠儿。本文通过具体实例对短肢剪力墙结构的延性设计作了相关论述，旨在提醒建筑施工者，在选择短肢剪力墙作高层住宅建筑结构体系时，务必要注重其延性设计，保证其结构设计的抗震性与合理性，切实提高我国高层住宅建筑设计水平，延长住宅使用寿命。
参考文献
[1]鲍士超，黄慎江.短肢剪力墙结构的抗震性能比较与研究[J].安徽建筑工业学院学报（自然科学版），2010（05）
[2]张盘玉.短肢剪力墙与异形柱结构在建筑工程中的应用[J].民营科技，2009（08）
建筑抗震设计中的延性设计 篇3
在中等地震作用下, 允许结构某些部位进入屈服状态, 形成塑性铰, 这时结构进入弹塑性状态。在这个阶段结构刚度降低, 地震惯性力不会很大, 但结构变形加大, 结构是通过塑性变形来耗散地震能量的。 具有上述性能的结构, 称为延性结构。地震中结构进入弹塑性状态后, 只能依靠变形吸收能量以维持结构“安全”, 所以, 结构抗震设计的根本验算应是强震作用下结构的变形验算, 因此从某种意义上说, 结构抗震的本质就是延性。
以我们当前对地震的认识水平, 要准确预测结构物与地基在未来地震作用下的抗震能力, 尚难以做到。因此, 结构的抗震能力应着眼于结构物与地基整体抗震能力的概念设计, 再辅以必要的计算分析和构造措施, 从根本上消除结构物与地基中的抗震薄弱环节, 才有可能使设计出的结构具有足够的抗震可靠度。
结构体系的抗震能力综合表现在强度、刚度、和延性三者的统一, 即抗震结构体系应具有必要的强度和良好的变形能力, 如果抗震结构体系有较高的抗侧强度, 但同时缺乏足够的延性, 这样的结构在大震作用下很容易破坏。例如不配筋又无钢筋混凝土构造柱的的砌体结构, 其抗震性能较差。另一方面, 如果结构有较大的延性, 但抗侧力的能力不足, 这样的结构在大震作用下, 必然产生较大的变形, 如纯框架结构, 其抗震性能依然较差, 震害调查表明, 在历次地震中, 钢筋混凝土纯框架破坏严重, 甚至倒塌者屡见不鲜。
结构体系是由各类构件连接而成的, 各个构件的抗震能力是结构体系抗震能力的前提, 抗震结构的构件应具备必要的强度、适当的刚度、良好的延性和可靠的连接, 并应重视强度、刚度和延性的合理均衡。 但强度、刚度和延性三者之间并不是相互独立的, 结构体系的抗震能力是强度、刚度和延性三者的矛盾统一。构件刚度太大, 会降低结构的延性, 同时自振周期变短, 增大地震作用, 地震作用增大的同时则要求结构及其构件具有较高的承载力, 而较高的承载力往往以提高造价和降低结构变形能力为代价; 构件刚度过小, 在地震作用下, 结构变形过大, 会导致结构构件的破坏甚至整体倒塌。必要的强度、刚度和延性三者缺一不可, 但其中延性的设计尤为突出, 是做到大震不倒的关键所在。
但在实际工作中, 结构工程师往往只注重结构的强度, 认为强度高的构件或结构必然是安全的, 而忽视了对延性的设计, 这种强度较高的构件或结构给人以安全的假象, 实际在强震作用下因为缺乏足够延性而存在较大的安全隐患。
延性的设计主要依靠合理的抗震措施, 如砌体结构, 具有较大的刚度和一定的强度, 但延性较差, 若在砌体中设置圈梁和构造柱, 将墙体横竖相箍, 起到骨架作用, 则可以大大提高变形能力。又如较长的钢筋混凝土抗震墙, 刚度大强度高, 但延性不足, 若在抗震墙中用弱连梁把墙体划分为若干并列墙段, 则可以大大改善墙体的变形能力, 做到强度、刚度和延性的合理分配。
延性的本质是吸能和耗能, 结构的吸能和耗能能力, 主要依靠结构或构件在预定部位产生塑性铰, 即结构可承受反复的塑性变形而不倒塌, 仍具有一定的承载能力, 预定部位是指在该位置塑性铰的形成不会危机整个结构的安全。
为了提高结构的延性, 在设计中应采取以下的概念设计: ( 1) 利用结构各部分的联系构件或非主要承重构件形成“耗能元件”。在对这种“耗能元件”合理设计后, 可使整个结构在预估的罕遇地震下产生可以承受的破坏, 并消耗相当的地震能量, 从而维持了整个结构体系的稳定和继续承受荷载的能力。如设有连梁的并联抗震墙, 连梁即可设计成很好的耗能元件, 以使罕遇地震作用下连梁先出现塑性铰; 又如框架结构的填充墙, 经合理设计后可增加结构的强度和刚度, 同时在地震反复作用下填充墙产生裂缝, 可以大量吸收和耗散地震能量, 起到耗能元件作用, 即同时增大了结构的延性, 因为填充墙同时影响到结构的强度、刚度和延性, 所以结构设计师应提高对填充墙的设计认识, 而不仅仅是作为结构上的荷载来处理。 ( 2) 将塑性铰控制在一系列有利部位, 把能量耗散在整个结构的平面和刚度上。为使结构在强震下出现塑性铰以吸能和耗能, 必须在设计时有意识地在一些构件中采取特殊的构造措施, 使塑性变形集中在一些潜在的屈服区, 使结构具有更有利的塑性重分布能力, 使这些并不危险的部位首先形成塑性铰或发生可以修复的破坏, 从而保护主要承重体系。否则塑性铰的出现可能使结构过早倒塌。如在钢筋混凝土框架设计中要求“强柱弱梁”的原则, 其目的就在于使框架结构的塑性铰先出现在各梁端而不是柱端。 ( 3) 要求结构具有尽可能多的赘余度。若结构没有适当的赘余度, 在出现塑性铰时就会形成几何可变的“机构”, 失去承载能力而倒塌。一般来说, 超静定次数越高, 对抗震越有利, 但这不是充分条件, 主要与形成屈服区和塑性铰的部位直接相关。如在框架或框架剪力墙体系中, 当框架梁端或连梁端部出现塑性铰时, 均不至于导致整个结构的破坏。因此, 抗震设计中的一个重要原则是结构应具有较好的赘余度和内力重分布的功能, 即使部分构件退出工作, 其余构件仍能承但地震作用和相应的竖向荷载, 避免整体结构的连续垮塌。
应当看到, 尽管延性设计在经济上有很大的优越之处, 但这些优越总是以结构出现一定程度的损伤为代价, 这是在设计延性抗震结构时必须预先了解到的, 但考虑到只要能实现我们三水准的抗震设防目标, 即保证“小震不坏”、“中震可修”、“大震不倒”, 我们的抗震设计就是成功的, 出现损伤是完全可以接受的。
总之, 地震从能量观点看, 就是地下能量的释放, 建筑结构所受的地震作用实际上就是一种能量的传递, 在接受到地下能量的同时, 如何吸收和消耗这些能量就成为抗震设计的本质内容, 即是延性设计。从钢筋混凝土结构抗震概念设计的基本原则, 到结构抗震承载力和变形验算以及抗震措施的制定, 都是为了保证结构或构件延性, 因此只有把握了抗震设计的本质问题, 才能真正设计出具有较好抗震性能的结构, 实现安全与经济的完美结合。
摘要：地震中结构进入弹塑性状态后, 只能依靠变形吸收能量以维持结构“安全”, 所以, 结构抗震设计的根本验算应是强震作用下结构的变形验算, 因此从某种意义上说, 结构抗震的本质就是延性。一个结构具有较大延性或较高耗能能力的话, 即使承载力较低, 也能够吸收较多能量, 抗御较强地震而不会倒塌。
关键词：塑性铰,吸能耗能,变形能力,结构延性
参考文献
[1]顾渭建.钢筋混凝土杆系结构的耗能机理和延性设计[J].工业建筑, 1997 (11) .
[2]施岚青.建筑抗震设计[J].机械工业出版社, 2011.
延性设计 篇4
邓明科，西安建筑科技大学土木工程学院教授，博士生导师，混凝土结构教研室副主任，结构工程学科带头人。同时，兼任中国工程建设标准化协会砌体结构专业委员会委员、中国土木工程学会纤维混凝土专业委员会委员，2015年度陕西省青年科技新星，主要研究方向为新型材料与新型结构体系。累计发表科研论文60余篇，获得已授权国家发明专利20项，实用新型专利20项，其中10项发明专利已实现科技成果转化应用。
混凝土材料是世界上研究最多、应用最广、其他材料所不能替代的主要土木工程材料之一。高性能混凝土具有高强度、高耐久性、高流动性及高抗渗性等优点，是目前混凝土技术的一个重要发展方向。但混凝土的抗压强度提高以后，其脆性增大、抗拉和抗剪强度相对较低，导致结构延性降低，使混凝土材料的应用范围受到很大限制。
如何解决混凝土材料的脆性？西安建筑科技大学土木工程学院邓明科教授多年来一直致力于这一问题，深入钻研。在其和团队的不懈努力下，如今，这一难题终于得到了解决。2014年以来，中央电视台CCTV10频道《探索·发现》栏目、陕西电视台、西安电视台、陕西日报、西安日报等先后对邓明科团队在高延性混凝土研发与推广应用方面取得的成果进行了跟踪报道。
高延性混凝土：利用材料延性提高结构抗震性能
高延性水泥基复合材料（ECC）最早由美国Michigan大学Victor. C. Li教授在1992年提出，配制单位体积的ECC，约50%的水泥可用粉煤灰、硅灰等工业废料取代。经纤维与活性掺合料有效复合，不仅强化了混凝土材料的各项关键性能，还大幅度地提高了结构的耐久性和耐损伤能力，对节约资源和能源，保护生态环境具有重要意义。
2008年汶川大地震，年仅29岁的邓明科作为建设部第一批派往重灾区的抗震救灾专家组成员之一，现场目睹了成千上万间房屋倒塌破坏所引起的巨大生命与财产损失。之后，他想到了通过材料性能提升，利用混凝土自身的延性来改善结构抗震性能，并立即开始这项研究。
历经8年的不懈努力，邓明科和其团队利用陕西当地的材料资源，经过数百次材料试配、纤维界面改性和设计参数调整，成功配制出具有高强度、高韧性、高抗裂性能和高耐损伤能力的高延性混凝土，并系统开展了高延性混凝土抗压韧性、弯曲韧性、抗压强度和尺寸效应的试验研究。
为实现高延性混凝土制备技术的产业链整合，提高科研工作效率，并快速实现成果转化应用，邓明科与国内相关企业合作研发，率先攻克了高延性混凝土专用纤维的国产化制备关键技术。在此基础上，从材料到构件再到结构，系统、全面地开展了高延性混凝土材料及构件的基本性能研究，将高延性混凝土用于剪力墙连梁、底部塑性铰区、转换大梁、梁柱节点等结构关键部位，并在高延性混凝土加固砌体结构方面取得了突破性研究成果。
地震灾害是人类面临的最严重的自然灾害之一，汶川地震以后发生的一系列破坏性地震（如2010年智利大地震、2011年东日本大地震）均造成了惨重的人员伤亡和巨大的经济损失。因此，提高建筑物的抗震能力、减轻地震灾害再次引起工程界的关注。邓明科介绍道，地震作用下，由于混凝土材料的脆性以及变形能力不足，导致钢筋混凝土框架柱、连梁、剪力墙等构件容易发生剪切破坏，会造成结构严重损坏甚至发生倒塌。
于是，邓明科提出了“高延性混凝土构件抗剪机理与设计方法研究”课题。从材料延性出发，利用高延性混凝土的高韧性和高耐损伤能力，针对高延性混凝土“梁、柱、剪力墙”的破坏形态、延性剪切破坏机理、受剪承载力、非线性分析等关键问题，进行系统的试验研究和理论分析，为高延性混凝土在抗震结构中的应用和震后免修复设计提供了科学依据。
在该项目中，邓明科课题组首次提出了基于材料延性的高延性混凝土构件抗剪承载力计算方法、非线性分析模型、延性剪切破坏模式和基于材料延性的剪切变形能力设计方法等，取得了多项创新和突破。
加固技术：实现国内首例唐墓壁画整体搬迁
2014年，位于西安郭新庄的考古重大发现——唐代名相韩休夫妇合葬墓，内有朱雀图、山水图和乐舞图三幅壁画，是迄今为止发现的唯一一幅唐代大幅独屏山水壁画。为对壁画更好地进行保护研究，陕西历史博物馆决定对壁画进行整体搬迁。而长期从事高延性混凝土加固砌体结构理论与方法研究的邓明科，正是韩休墓壁画加固工作的总负责人。
利用研发的“高延性混凝土加固砌体结构技术”，从方案设计、现场施工、整体吊装到运输，邓明科率领团队对每一个步骤都严格把关，确保文物搬迁项目顺利进行，真正做到了“万无一失”，实现了国内首例唐墓壁画整体搬迁。邓明科介绍说：“新型加固材料形似水泥，唐墓壁画松散砖块间的缝隙用这种高延性混凝土进行填充和加固，就具备了基本的整体性，可以保证壁画在运输和搬运过程中，不受任何损害。”
砌体结构在我国应用广泛，历史久远，是目前既有结构的主要形式之一，在我国城乡和村镇建筑中占有重要的地位。但由于砌体的抗拉强度低、抗裂性能差以及材料自身的脆性，导致砌体结构的整体性较差，在历次大地震中破坏严重，甚至发生倒塌。2008年汶川地震中，映秀镇、北川县、绵竹县和都江堰等高烈度区的中小学砌体结构房屋大量损毁，造成了较大人员伤亡和经济损失。因此，提高砌体结构的抗震性能意义重大。
邓明科介绍道，采用高延性混凝土加固砌体结构，可改善传统砌体结构容易开裂、整体性能差的特点，提高砌体结构的抗震性能，并可用于高烈度区砌体结构房屋抗震设计，还可用于既有砌体结构房屋的抗震加固与修复，具有重要的理论意义与推广应用价值。另外，与现有加固方法相比，邓明科提出的加固方法施工方便，节省工期，加固费用较低，性价比高，有着巨大的市场前景、经济及社会效益。
目前，邓明科和团队正在致力于将“高延性混凝土加固砌体结构技术”研究成果在全国中小学校舍加固、危旧房改造和文物保护与修缮等方面全面推广应用。
走“产学研一体化”道路
近几年，邓明科课题组系统开展了高延性混凝土材料、构件、结构方面的研究工作，在高延性混凝土研究领域获得国家发明专利20项，实用新型专利20项，发表相关论文30多篇。
如何将创新科研成果就地转化，将产品推向市场？目前，邓明科课题组在西安碑林环大学创新产业带的支持下，正致力于将高延性混凝土方面取得的多项科研成果转化为生产力，实现由试验研究到工程应用的产学研一体化，使高校创新成果与产业发展“无缝对接”，以促进土木工程领域的技术进步。他研发的新材料已成功应用在60多所校舍的加固改造中，大大提高了中小学校舍的安全性。至今，他研发的新材料和“高延性混凝土加固砌体结构技术”已成功应用于西安市长安区、蓝田、周至、高陵、咸阳和宝鸡、延安等200余栋中小学校舍的抗震加固，以及办公楼、住宅楼、商住楼的加固，“未来，这项技术还将应用在交通、水利等多个领域”。
2015年起，邓明科教授团队在“高延性混凝土研发与推广应用”方面取得的科研成果，已通过校企联合方式与陕西、安徽、北京等10余个省市的设计院和施工单位合作，在中小学校舍加固、危旧房改造和文物保护与修缮等方面进行全面推广应用。
至今，邓明科教授已参与国内外学术交流会30余次，并与国内相关企业密切合作进行产业链整合，为青年科技工作者实现科技成果转化应用和产学研一体化树立了典范。
混凝土结构延性设计 篇5
关键词：混凝土结构,延性,耗能能力,框架,剪力墙
0 引言
我们在地震区进行结构设计时,为达到“小震不坏,中震可修,大震不倒”的抗震设防要求,通过计算,往往使结构要具备足够大的承载能力,足够大的刚度以及应具备足够大的延性和耗能能力。
承载能力是最重要的,它是结构可靠度的保证。同样,结构必须具有足够大的侧移刚度和扭转刚度。在同一地震作用下,刚度小的结构破坏程度大,变形小的结构破坏程度小。结构、构件的刚度与承载能力是相关的,一般来说,刚度大承载能力也大,刚度小承载能力也小。我们在设计计算中很重视上述两项,但对结构应具备足够大的延性和耗能能力并没有引起重视。经济、合理的按能力设计法设计的抗震结构应当是:在大震作用下,部分结构构件破坏,通过延性耗散地震能量,避免结构倒塌。
1 结构延性的概念
延性包括材料、截面、构件和结构的延性。延性是指屈服后,强度和承载能力没有显著降低时的塑性变形能力。延性大,说明塑性变形能力大,强度或承载力的降低缓慢,从而有足够大的能力吸收和耗散地震能量,避免结构倒塌;延性小,说明达到最大承载能力后承载力迅速降低,变形能力小,呈现脆性破坏,引起结构倒塌。
结构延性可以来自材料延性、截面曲率延性、构件位移延性和结构位移延性。一般来说,对截面延性的要求高于对构件延性的要求,对构件延性的要求高于对结构延性的要求。我国规范没有对结构、构件的延性系数和耗能能力做定量的规定,只规定了罕遇地震作用下各结构体系的弹塑性层间位移角限值。例如,钢筋混凝土框架结构的屈服层间位移角为1/200左右,规范规定其弹塑性层间位移角限值为1/50。
钢筋混凝土结构都应该设计成延性结构。“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设计原则,也就是要做到在设防烈度地震作用下,允许部分构件出现塑性铰,这种状态是“中震可修”状态;合理控制塑性铰部位、构件又具备足够的延性,可做到在大震作用下结构不倒塌的状态。
延性结构的塑性变形可以耗散地震能量,虽然结构变形会加大,但内力不会很大,对构件的承载能力要求不会很高。也就是说,延性结构是用它的变形能力,而不是承载力抵抗强烈的地震作用。因此,对于地震发生概率极少的抗震结构,延性结构是一种经济合理和安全的设计方向。
设计规范上对延性结构的要求融入了各章节,并通过计算和构造给结构设计了多道防线。这方面的阐述已较明朗,实际工作中也得到充分采纳。然而,我们在实际设计工作中,建筑体形、结构布置确定后,要反映延性框架和延性剪力墙的抗震概念,可以通过哪些实用有效又经济的方式,这里具体介绍一下。
2 延性框架梁
梁是钢筋混凝土框架的主要延性耗能构件。影响梁的延性和耗能的主要因素有:破坏形态,截面混凝土相对压区高度等。我们设计时,首先要实现弯曲破坏,避免剪切破坏,限制最大剪力设计值。剪压比限值也是确定梁最小截面尺寸的条件之一。
在满足截面要求的基础上,设计时应限制受拉钢筋,不出现可能引起脆性破坏的少筋梁和超筋梁;同时,配置受压钢筋,以增大其延性。对梁端,在地震往复作用下,不仅有竖向裂缝,还有斜裂缝。为使塑性铰区具有良好的塑性转动能力,同时为了防止混凝土压溃前受压钢筋过早压屈,在梁的两端必须设置箍筋加密区。另外设计中可以采取措施使塑性铰外移,将塑性铰从柱面移开一定距离,避免梁端钢筋屈服后向核心区发展,引起粘结破坏。具体措施可采用如图1所示增加梁端的纵向钢筋,或如图2所示增加梁端高度,提高梁端受弯承载力。一般将屈服的位置移至图1,图2中的控制截面,控制截面与柱面之间的距离不小于500 mm和梁高,塑性铰的起始截面距控制截面250 mm或1/2梁高,塑性铰长度为2倍梁高,该范围内箍筋加密。
3 延性框架柱
柱是框架的竖向结构,地震时柱破坏和丧失承载力比梁破坏和丧失承载力更容易引起框架倒塌。影响柱的延性和耗能的主要因素有:剪跨比,轴压比,纵筋配筋率和塑性铰区箍筋的配置。现行规范对这几方面已作了详细的要求,这里不再赘述。我们只需遵循以下基本设计概念,即采用大剪跨比柱,避免小剪跨比柱,限制轴压比,提高纵筋配筋率,保证约束塑性铰区混凝土的箍筋等。
其中,当由于为保证限制轴压比而采用了较大截面柱时,势必造成较小的柱剪跨比,这是不利的。我们常采用如图3所示的分体柱措施来避免形成短柱或极短柱。分体柱是用隔板将柱分为等截面的单元柱,一般为4个单元柱,截面的内力设计值由各单元柱均担,按现行规范对单元柱承载力验算,在柱的上下端留有整截面过渡区,过渡区内配置复合箍。 分体柱各单元的剪跨比是整体柱的两倍,可以避免短柱。
当然,也可利用高强混凝土与钢组合成为延性组合柱,如钢管混凝土柱,钢管混凝土叠合柱及钢骨混凝土柱。这些,在建筑材料发展的今天,也是经常采用的。
4 延性剪力墙
剪力墙由墙肢和连梁两种构件组成,从截面的形状到构件的受力性能,墙肢与柱、连梁与框架梁有很大的差别。剪力墙的受力性能比框架复杂,抗震设计在一些方面与框架有较大的区别。
强墙肢弱连梁,强剪弱弯及限制剪压比,限制墙肢轴压比这些与框架概念是等同的。但剪力墙延性设计又有其自身的特点。首先,不同于框架柱是偏压构件,墙肢本身又是受弯构件,控制墙肢不出现脆性的剪切破坏就是首要的。设计时一般通过控制剪跨比来解决。杜绝出现剪跨比小于1的矮墙,实现延性的弯曲破坏,增强耗能能力。
另外,通过设置底部加强区,设置约束边缘构件,可以增大截面的塑性变形能力。约束边缘构件的构造要求,主要包括沿墙肢截面的长度和墙肢的高度,箍筋数量,水平分布筋在约束边缘构件内的锚固以及确保一定的纵筋面积来保证。这在现行规范中都有明确要求。
延性连梁的设计,我们计算时一般通过降低连梁的刚度和弯矩设计值来实现。同时,在做法上就有多种方式。一种是设计成开缝连梁,即对于跨高比小的连梁,在连梁腹板上沿跨度方向预留一条或两条缝或槽,将连梁沿梁高方向分成几根跨高比较大的梁,在大震作用下发生较好的弯曲破坏。另外,在连梁内交叉配筋来抵抗地震作用下不断改变方向的剪力,是比较常用的方法。交叉配筋连梁的延性和耗能能力明显优于普通水平配筋连梁,只是制作费工,钢筋密集,难以施工。此外,采用钢板混凝土连梁,发挥钢板良好的塑性变形能力,同时减少了箍筋用量,给施工带来便利。
5 结语
延性框架和延性剪力墙的抗震主要包括三方面:1)通过调整构件之间承载力的相对大小,实现合理的屈服机制,即“强柱弱梁”“强墙肢弱连梁”“强核芯区弱构件”;2)通过调整构件斜截面承载力和正截面承载力之间的相对大小,实现构件延性破坏形态,即“强剪弱弯”;3)通过采取抗震构造措施,使构件自身具有大的延性和耗能能力。
参考文献
[1]GB 50010-2002,混凝土结构设计规范[S].
[2]GB 50011-2008,建筑抗震设计规范[S].
[3]中国有色工程设计研究总院,混凝土结构构造手册[S].
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偏心支撑钢框架结构延性设计探讨 篇6
1 偏心支撑钢框架的类型
常见的偏心支撑钢框架结构体系有如图1所示的4种形式, 它们从左到右依次分别为K型、D型、Y型和V型, 其中标有字母e处的梁段为耗能梁段。这么做的目的是, 当结构作用有较大水平荷载时, 耗能梁段能第一时间发生屈服, 产生较大的塑性变形, 耗散掉大部分外加荷载所做的功, 保护其他构件免于破坏或延迟破坏, 对整体结构起到保护作用。在大震和强震作用下, 耗能梁段就像电路中的“保险丝”一样, 屈服并产生明显的塑性变形, 耗散尽可能多的地震能量, 使支撑斜杆所受的轴向力得到了有效控制, 防止支撑斜杆发生屈曲破坏。
2 耗能梁段的受力特点及内力分布
大量的研究表明, 耗能梁段的受力特点及内力分布跟其长度和支撑的结构形式有关。如图2所示, 是最常见的两种偏心支撑钢框架结构———K型和D型, 在侧向水平荷载作用下, 耗能梁段和框架梁的所受内力的分布情况。从图2可以看出, 整个耗能梁段上均受有很大的剪力, 同时两端还受有较大的弯矩, 轴向力相对比较小。相比于耗能梁段, 框架梁受有较大的梁段端弯矩和轴向力, 但剪力要小的多。当作用有相同的水平荷载时, 耗能梁段越短, 其上的剪力就会越大, 耗能梁段会先发生剪切屈服, 形成剪切塑性铰, 这也就是通常所说的剪切屈服型耗能梁段;反之, 耗能梁段先发生弯曲屈服, 形成弯曲塑性铰, 也就构成了弯曲屈服型耗能梁段。研究表明, 剪切屈服型耗能梁段, 弹性抗侧刚度接近于中心支撑钢框架, 耗能能力和滞回性能也优于弯曲屈服型, 所以它更有利抗震。
3 耗能梁段的设计
根据耗能梁段的破坏形式, 偏心支撑钢框架分为剪切屈服型和弯曲屈服型, 大量的研究表明, 剪切屈服型的耗能能力更好一些。因此, 在偏心支撑框架的设计中, 宜设计为剪切屈服型, 即e≤1.6Mp/Vp, 并且当耗能梁段的长度介于1.0Mp/Vp到1.3Mp/Vp之间时, 耗能能力最佳。关于耗能梁段的尺寸设计与构造设计详见《高层民用建筑钢结构技术规程》有关的规定。但是, 一般的建筑, 受到建筑构造等因素的制约, 耗能梁段的长度很难在1.0Mp/Vp~1.3Mp/Vp范围之内, 有时候为满足建筑要求, 要把耗能梁段做得较短。另外, 为使抗侧刚度尽可能的大, 耗能梁段也要短一些。耗能梁段越短, 则剪力越大, 耗能梁段的腹板会因剪切变形太彻底而发生过早的破坏, 影响整个结构的承载力和安全性。因此, 依据剪切破坏的特点和耗能梁段的构造要求, 在耗能梁段的腹板上加了斜加劲肋, 对腹板区格上主拉和主压应力附近的部位加强了一下, 以防止腹板的过早破坏, 耗散更多的地震能量。并且作者也设计5组试件, 分两种类型, 一种是耗能梁段按《高层民用建筑钢结构技术规程》设计的类型, 另一种类型是在前一种的基础上, 在耗能梁段的腹板上加了斜加劲肋, 利用大型有限元软件ABQUS进行了模拟试验, 试验的结果跟预想的完全吻合, 结果详见作者2013年发表于《甘肃科学学报》第4期上的文章《K型偏心支撑钢框架在循环荷载作用下的力学性能分析》, 这就说明当耗能梁段设计的短时, 在其腹板上加斜加劲肋后能起到延缓其破坏的作用, 有利于抗震耗能。
4 结语
偏心支撑钢框架结构是适合用于高烈度地区和强震地区的一种抗震耗能结构体系, 其设计不光要从计算这方面来满足, 更重要的是要通过构造设计来增加其延性, 尤其是耗能梁段的设计更是如此, 以此来延缓结构体系在强震大震中的破坏。
参考文献
[1]申永康, 万斌, 邵建华.偏心支撑钢框架延性抗震设计探讨[J].工程抗震与加固改造, 2007, (4) :47-50.
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[6]崔鸿超.日本兵库县南部地区震害综述[J].建筑结构学报, 1996, Vol.17, No.1, 2-13.
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[8]赵宝成.偏心支撑钢框架在循环荷载作用下的破坏机理及抗震设计对策[D]:[西安建筑科技大学博士学位论文].陕西:西安建筑科技大学土木工程学院, 2003.
延性设计 篇7
一、结构延性在抗震中的重要性及其作用
在我国现在的多高层建筑中, 钢筋混凝土框架结构是最常用的结构形式。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[1]。 (图1) 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。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。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。
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。 (2) 承受某些偶然因素的作用。 (3) 实现塑性内力重分布。 (4) 有利于结构抗震 。
二、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了框架结构的延性, 从而也就确保了框架结构的抗震能力。
(一) 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。影响梁截面延性的主要因素有:
1.梁截面尺寸。一般框架梁宽度不宜小于200mm。同时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。如 (图2) 所示, 故通过限制受拉配筋率可以避免剪跨比较大的梁在未达到延性要求之前梁端下部受压区混凝土过早达到极限压应变而破坏。
3.梁纵筋配置。梁端截面上纵向受压钢筋与纵向受拉钢筋保持一定比例, 对梁的延性有很大的影响。
4.梁端箍筋加密。在梁端预期塑性铰区段加密箍筋可以约束混凝土, 提高其变形能力, 从而获得较高的梁截面转动能力, 增强其延性。
(二) 影响柱延性的主要因素。
在进行框架结构设计时应遵循“强柱弱梁”的设计原则, 使塑性铰出现在梁端, 以增强构件的延性。影响框架柱延性的因素主要有以下几方面:
1.柱截面形状。框架柱的截面尺寸必须在两个主轴方向的刚度相差不宜太大, 柱的净高与截面高度h之比不宜小于4。
2.混凝土强度等级。提高混凝土强度可以在不加大截面的情况下提高轴压比, 但混凝土强度过高, 则其极限压应变变小, 变形能力变差, 对柱子的延性将产生不利的影响。
3.柱轴压比。在有关的试验研究和工程震害的实践中已经表明, 在影响钢筋混凝土框架柱延性的众多因素中, 以轴压比所产生的影响最为显著。通过限制框架柱轴压比, 从而保证框架柱有足够的变形能力, 使钢筋混凝土框架柱在地震作用下不致于发生脆性破坏, 继而保证框架柱“坏而不倒”。
4.柱剪跨比。剪跨比能大体反映出截面上弯曲正应力和剪应力的比例关系, 是决定框架柱是延性破坏还是脆性破坏的主导因素。
5.柱纵向钢筋的配筋率。从实际工程设计中可以得知, 增大纵向钢筋配筋率对框架柱本身是有利的, 在一定程度上能提高框架柱截面的延性。但是, 当纵向配筋量达一定值时, 对框架柱变形能力的提高就很不明显了。
6.柱箍筋的配箍率。箍筋能有效提高混凝土受压区边缘的最大应变, 因此, 当箍筋含量特征值越高, 柱子的延性提高就越大。
(三) 影响节点延性的主要因素。
节点是框架梁柱构件的公共部分, 节点的失效就意味着与之相连的梁与柱同时失效, 所以对节点应予以足够的重视。影响节点延性的主要因素有以下几点:
1.剪压比。为了防止框架节点核芯区出现斜拉或斜压的脆性破坏, 必须控制剪压比, 即限制配箍率, 避免框架节点核芯区混凝土的破坏先于箍筋的屈服。
2.轴压比。试验研究表明, 在一定范围内轴向压力可以提高框架节点核芯区混凝土的抗剪承载力。随着轴压比的增大, 抗剪承载力相应增大, 但当轴压比超过某一临界值时, 框架节点受压区混凝土产生微裂缝, 使混凝土压碎, 抗剪承载力反而下降。因此要限制轴压比在一定的范围之内以确保其延性。
3.水平箍筋。在框架节点内配置水平封闭箍筋, 一方面对框架节点核芯区混凝土产生有利约束, 增强传递轴向荷载的能力;另一方面承担部分水平剪力, 提高框架节点的抗剪承载力。
三、框架结构的延性抗震设计
(一) “强柱弱梁”设计原则。
在地震作用下, 框架中塑性铰要出现在梁上, 不允许出现在梁的跨中。梁的跨中出现塑性铰将导致局部破坏 (图3) 。在梁端的塑性铰必须具有延性, 才能使结构在形成机构之前, 可以抵抗外荷载并具有延性。
由图4可以看出, 在框架结构中, 塑性铰出现的位置或顺序不同, 将使框架结构产生不同的破坏形式。图4 (b) 所示是一个强梁弱柱型结构, 塑性铰首先出现在柱中, 当某薄弱层柱的上下端均出现塑性铰时, 该层就成为几何可变体系, 而引起上部结构的倒塌。图4 (a) 是一个强柱弱梁型结构, 塑性铰首先出现在梁中, 当部分梁端甚至全部梁端均出现塑性铰时, 结构仍能继续承受外荷载, 而只有当柱子底部也出现塑性铰时, 结构才达到破坏。由此可知性铰出现在梁端, 却可以使结构在破坏前有较大的变形, 吸收和耗散较多的地震能量, 因而具有较好的抗震性能。因此, 较合理的框架破坏机制应是梁比柱的塑性屈服尽可能早发生和多发生, 底层柱柱根的塑性铰较晚形成, 各层柱子的屈服顺序应错开, 不要集中在某一层。这种破坏机制的框架, 就是强柱弱梁型框架。
(二) 梁柱的延性设计。
而梁柱的延性是以其截面塑性铰的转动能力来度量的。因此框架结构抗震设计的关键是梁柱塑性铰设计。为此应遵循:
1.“强剪弱弯”设计原则。适筋梁或大偏压柱, 在截面破坏时可以达到较好的延性, 使内力重分布得以充分发展;而钢筋混凝土梁柱在受到较大剪力时, 往往呈现脆性破坏。所以在进行框架梁、柱设计时, 应使构件的受剪承载力大于其受弯承载力, 使构件发生延性较好的弯曲破坏, 保证构件在塑性铰出现之后也不过早剪坏, 这就是“强剪弱弯”的设计原则, 它实际上是控制构件的破坏形态。
2.梁、柱剪跨比限制。剪跨比反映了构件截面承受的弯矩与剪力的相对大小。它是影响梁、柱极限变形能力的主要因素之一, 因此柱的剪跨比宜控制在1.5以上。
3.梁、柱剪压比限制。设计中应限制剪压比即梁截面的平均剪应力, 使箍筋数量不至于太多。这实质上也是对构件最小截面尺寸的要求。
4.柱轴压比限制及其它措施。试验研究表明, 轴压比的大小, 与柱的破坏形态和变形能力是密切相关的。随着轴压比不同, 柱将产生两种破坏形态:受拉钢筋首先屈服的大偏心受压破坏和破坏时受拉钢筋并不屈服的小偏心受压破坏。柱的变形能力随轴压比增大而急剧降低 (图5) , 尤其在高轴压比下, 增加箍筋对改善柱变形能力的作用并不明显。所以, 抗震设计中应限制柱的轴压比不能太大, 其实质就是希望框架柱在地震作用下, 仍能实现大偏心受压下的弯曲破坏, 使柱具有延性性质。
5.箍筋。按照强剪弱弯原则设计的箍筋主要配置在梁端、柱端塑性铰区, 称为箍筋加密区。在塑性铰区配置足够的箍筋, 可显著提高塑性铰区混凝土的极限应变值, 防止斜裂缝的开展, 从而可充分发挥塑性铰的变形和耗能能力, 提高梁、柱的延性。
6.纵筋配筋率。试验表明:钢筋混凝土单筋梁的变形能力, 随截面混凝土受压区相对高度x/h0的减小而增大, 而x/h0随着配筋率的增大、钢筋屈服强度的提高和混凝土强度等级的降低而增大, 延性性能降低。
(三) “强节点弱构件”设计原则。
由于节点区的受力状况非常复杂, 所以在结构设计时只有保证各节点不出现脆性剪切破坏, 才能使梁、柱充分发挥其承载能力和变形能力。即在梁、柱塑性铰顺序出现完成之前, 节点区不能过早破坏。
实际设计中, 为了保证框架结构的延性, 《抗震设计规范》是依据抗震等级对构件本身不同性质的承载力或构件间的相对的承载力进行内力调整, 并依据规定的构造要求来达到延性要求。内力调整系数, 依据抗震等级不同而异:一级抗震等级以实际配筋为基础进行内力调整;二、三级抗震等级是在设计内力的基础上进行调整。而构造要求, 则根据不同的抗震等级, 规定出截面形式、尺寸限制、材料规格、配筋率以及构造形式等。
四、结语
结构的延性决定房屋抗震性能, 结构中重要构件的延性要求高于对结构总体的延性要求。因此, 要想提高框架结构的抗震能力就必须采用合理的设计方法, 使其具有足够的延性。
参考文献
[1].混凝土结构设计规范 (GB50010-2002) [M].北京:中国建筑工业出版社, 2002
[2].建筑抗震设计规范 (GB50011-2010) [M].北京:中国建筑工业出版社, 2010
[3].高层建筑混凝土结构技术规程 (JGJ3-2002) [M].北京:中国建筑工业出版社, 2002
延性设计 篇8
关键词：框架结构,延性,抗震设计,措施
我国现阶段抗震设计规范提出的三水准(小震不坏、中震可修、大震不倒)抗震设防目标,是以二阶段设计实现的,第一阶段(抗震设防烈度以下)设计保证结构强度要求及隐含的第二水准变形要求,称为承载能力极限状态设计,第二阶段设计检验罕遇地震下结构防倒塌的变形能力,称为正常使用极限状态验算。但是由于地震作用的不确定性和复杂性,结构计算模型与结构实际受力情况存在差异,目前的实验研究水平尚难以确切模拟地震作用。因此抗震设计很大程度上是一种近似的估算,主要还得通过结构概念设计、构造措施、节点设计来实现结构延性要求,达到提高结构延性,实现抗震设防目标。
1 结构延性和结构概念设计的内涵
钢筋混凝土框架结构的延性是指结构出现裂缝后,在承载能力没有显著下降的情况下承受塑性变形的能力,延性反映的是从钢筋开始屈服进入破坏阶段直至最大承载能力时整个结构的塑性变形能力。结构的延性可用延性比来度量,延性比是指最大允许变形与屈服变形之比。其含义有四层:整体与局部的协同;结构整体延性;构件延性;节点延性。
结构概念设计是指在计算或设计中,对难以做出具体规定的问题,运用力学、材料等相关知识进行概念的分析判断,合理选用材料、结构形式,控制产生塑性铰的顺序和位置并采取相应措施实现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,以达到提高结构延性,合理抗震设计的目的。
2 提高结构整体延性的原则和方法
结构整体延性设计的获得主要依赖于建筑材料选择,结构及结构体系的合理布置,对框架梁、柱、节点的合理设计及采取的相关构造措施实现。结构体系上设置和控制塑性铰出现的顺序、位置、转动能力,塑性铰出现和转动量大小依次应为板、连续梁、框架梁、框架柱。框架梁、柱塑性铰应距节点适当位置。结构形式上对于高层建筑多使用钢骨—混凝土组合结构,或者是钢管混凝土结构,尤其是钢管混凝土,更将这两种材料能动地结合起来,钢管混凝土借助钢管对核心混凝土的约束,使钢管混凝土结构具备了高刚度、高抗力和更大的变形能力,而填充混凝土则可以减少钢管的局部屈曲变形,防止随之而来的钢管抗力的下降,且因混凝土填满了整个钢管,不易出现一般钢筋混凝土和钢骨混凝土结构中发生的混凝土开裂、脱落现象,依靠套箍作用提高了混凝土的抗压强度和延性。
3 提高结构整体延性的具体措施
1)采用合理的结构布置,框架结构布置应力求规则、对称且具有良好的整体性,结构的侧向,竖向刚度力求均匀变化,避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变。
2)构件性能上实现“强剪弱弯”,达到使结构在强烈地震引起的动反应过程中,在结构的延性未发挥出来之前出现非延性的剪切破坏。规范通过用剪力增加系数增大梁端、柱端、梁柱节点组合剪力设计值进行受剪控制截面条件验算和受剪承载力设计。规范还通过限制其截面尺寸,让构件不发生斜压型脆性破坏,实现结构延性的目的。
3)从结构体系上保证“梁柱铰机构”的实施,即“强柱弱梁”设计,我国抗震设计规范规定抗震等级为一级的框架结构及9度设防时柱端组合的弯矩设计值应符合下式要求:
∑Mc=1.2∑Mbua。
其中,∑Mc为节点上下柱端截面顺时针或逆时针方向组合的弯矩设计值之和;∑Mbua为节点左右梁端截面顺时针或逆时针方向实配的正截面抗震受弯承载力(计入受压钢筋)所对应的弯矩值之和。
除顶层和柱轴压比小于0.15的框架柱均应满足下式要求:
∑Mc=ηc∑Mb。
其中,ηc为柱弯矩增加系数,一级取1.4,二级取1.2,三级取1.1;∑Mb为节点左右梁端截面顺时针或逆时针方向组合弯矩设计值之和。
与此同时,为保证梁柱接头的柱端不先于梁端出现塑性铰,协同结构整体变形,规范对柱端箍筋加密区体积配箍率做了如下要求:
ρv≥λvfc/fyv。
其中,ρv为柱加密区的体积配箍率,一级不应小于0.8%,二级不应小于0.6%,三级不应小于0.4%;λv为最小配筋特征值;fc为混凝土抗压强度设计值,强度等级低于C35时,应按C35计算;fyv为箍筋或拉筋抗拉强度设计值,超过360 N/mm2时,应按360 N/mm2计算。
4)为防止节点发生剪切破坏,做到“强节点、强锚固”,我国规范先限制节点核心区的剪力设计值,控制节点核心区不发生剪压型脆性破坏,然后利用节点核心区截面抗震承载力验算公式计算节点的剪切配筋。并规定节点核心区箍筋量不小于柱端加密区的实际配箍量,以使节点核心区具有较高的强度和延性。
5)通过构造措施来保证塑性铰的变形能力以及出现塑性铰区域的延性。
a.控制柱轴压比与柱纵筋最大配筋率,实现受拉钢筋的屈服限于受压混凝土压碎的破坏形式。梁通过控制混凝土受压区高度一级不应小于0.25,二、三级不应小于0.35,梁纵筋最大配筋率小于2.5%,梁端顶面和底面纵向钢筋配筋量的比值一级不应小于0.5,二、三级不应小于0.3,以提高柱、梁塑性铰区域的转动能力。
b.约束箍筋及配筋形式,规范对约束箍筋的最小直径,最大间距,箍筋加密的长度(塑性铰区域的最小长度)都做出了详细规定,并对箍筋肢距及箍筋形式提出了相应要求。
c.强锚固,规范对框架梁柱不同部位的节点处钢筋的锚固长度、接头率、搭接长度作了具体规定。
d.材料选择,对于压力较大的构件宜采用标号相对高的混凝土,钢筋宜优先采用HRB335和HRB400级,一、二级抗震等级设计的框架结构,纵向受力钢筋的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值不应小于1.25;为了实现强柱弱梁、强剪弱弯的要求,钢筋的屈服强度实测值与钢筋的强度标准值的比值(超强比)不应大于1.3,且钢筋在最大拉力下的总伸长率实测不应小于9%。
4 结语
延性设计 篇9
1 理论基础
通过对国内地震的分析,合理的运用概率统计来判断结构的延性大小,并利用钢结构的知识来计算结构的最大和最小配筋率,来达到经济、合理的设计要求的目的。汶川“5.12”大地震中出现了许多由于延性不足而发生破坏的建筑,他们的破坏形式都很相似,可见延性不足对建筑物的影响是很大的。在结构的设计中如果单纯的为了满足抗震设防而忽视了结构刚度的大小在地震作用中的影响,可能会造成非常严重的后果。如果出现体系中各抗侧力构件的刚度与延性的不匹配的现象,会造成各构件不能同步协调地发挥水平抗力,出现先后破坏的各个击破情况。所以,协调抗侧力体系中各构件的刚度与延性,使之相互匹配,是工程设计中应该努力做到的重要抗震设计原则,所以,配筋率对结构的整体稳定以及延性的发挥有十分重要的影响
对于地震区的建筑来说,提高结构延性是增强结构抗倒塌能力,并使抗震设计做到经济合理的重要途径之一。在结构抗震设计中,“结构延性”这个术语实际上有以下4层含义:①杆性延性:指一个构件中某一杆件的延性;②构件延性:指整个结构中某一构件的延性;③结构楼层延性:以一个楼层的层间侧移比来表达;④结构总体延性:一般用结构的“顶点侧移比”或结构的“平均层间侧移比”来表达。
一般而言,在结构抗震设计中,对结构中重要构件的延性要求,高于对结构总体的延性要求;对构件中关键杆件或部位的延性要求,又高于对整个构件的延性要求 。要使建筑物在遭遇强烈地震时具有很强的抗倒塌能力,最理想的是使结构中的所有构件及构件中的所有杆件均具有较高的延性,然而,实际工程中很难完全做到这一点。比较经济有效的办法是,有选择地重点提高结构中的重要构件以及某些构件中关键杆件或关键部位的延性。延性的作用就是调整结构体内刚度重分配以及力在结构体内的分配,刚度大、分配力就越多。所以在结构设计时要注意刚度和延性的关系。
2 计算方法
2.1 计算原理与基本假定
底部剪力法是一种经过简化的计算方法,将等效单自由度体系通过叠加形成多自由度体系,符合地震作用力多自由度的要求。在确定地震的影响系数α后,计算结构整个结构底部的总水平地震作用,然后将总地震作用沿建筑物高度按一定规律分配到各个质点上,得出分别作用于质点上的水平地震作用。经理论分析,对于以剪切变形为主的多质点体系的建筑物,当结构的材料分布比较均匀,且高度和高宽比受到一定限制的时候,如果要确定总水平地震作用沿结构高度的分布,可以近似地仅考虑基本振型,而不考虑其他振型对其的影响。
2.2 地震作用力计算
运用底部建立法[2]来分析多质点体系下的地震作用是一个非常简单的方法,有效的将动力荷载简化为静力的方法求解 。
设多质点体系的总重力荷载代表值和等效单质点体系的等效重力荷载代表值分别为
式中:α1为相应于结构基本周期的水平地震影响系数值,Gi为集中于质点处的重力荷载代表值,λe为等效质点系数。
这样,地震时多质点体系结构中i质点的基本振型相对水平位移S1i与i质点的高度Hi成正比,即S1i=Hitan θ。同时根据振型分析法,可以得到作用于结构1质点上的i振型地震作用的大小F1i
整个结构的总地震作用
由上面两个方程,并考虑只有基本振型,用
来表示框架结构的层间剪力。
上式适用于基本周期T1≤1.4Tg的结构。当T1≥1.4Tg时,由于高振型的影响,如果再按上式计算地震作用时,形成的剪力分布在结构下部偏大,上部偏小。所以,通过分析大量的地震反应数据及曲线,得到对某些结构在其顶部设置一附加水平地震作用Fn=δnFEK来加以调整的办法。此时地震作用沿结构高度是按倒三角形附加结构顶部集中力的形式分布,框架结构的层间剪力变为
式中:δn为顶部附加地震作用系数,对于多层钢筋混凝土和钢结构房屋,按表1采用;多层内框架砖房取0.2;总地震剪力不变 ,而上部各层的地震层间剪力有所增大,符合实际的作用结果。
由底部剪力法得某四层框架结构在地震作用下的剪力(见图1)。
从我国的汶川地震、唐山地震,可以发现,许多砌体结构房屋都是由于地震时的地震作用产生的剪力过大将墙剪断,因此采用底部剪力法求地震作用对墙体或柱的作用符合实际。
3 截面延性的计算
3.1纵向配筋率的影响
上面已经初步确定了地震作用的大小,下面就是要通过地震作用产生的剪力来确定延性的影响,再通过延性的影响来计算某些建筑的配筋率,从而从定量的角度来推出结构的延性与地震作用换算公式。在建筑的设计当中一般都是以“强柱弱梁”为主,考虑建筑结构的延性时大部分都是考虑梁的变形。如果梁不具备延性,它的破坏会很突然,一旦产生裂缝,裂缝就会迅速开展,梁的承载能力会马上失去,这样就出现了脆性。配筋太少,钢筋早早屈服进入流塑状态,拉力全传到混凝土上,一下就拉裂。如果梁配筋太多,钢筋没有屈服,混凝土已经受压失效;只有配筋适当,才会有破坏的连续过程,才具有延性。上面已经提出了应用底部剪力法来实现对地震作用的研究,通过对剪力的计算,能计算出梁的配筋率(见图2)。
3.2配箍率和轴压比的影响
延性也受配箍率的影响,在相同轴压比的情况下,位移的延性随配箍率的增加而增加。在低轴压比的情况下配箍率的影响比高轴压比的增大。配箍率对延性的影响逐渐减弱,当轴压比超过某一限值时,配箍率对延性的影响很小,起决定作用的是轴压比。所以,在轴压比不超过某个限值时,适当的增加配箍率对于结构延性的提高是有帮助的。现行的抗震规范[5]以及混凝土规范[6]中的轴压比限值,均是根据钢筋混凝土框架柱产生受拉钢筋屈服的大偏心受压破坏理论为基础制定的。
3.3截面延性系数
截面延性系数又称截面曲率延性系数,记为μ。截面延性系数很大程度上影响结构延性的计算,主要从理论与试验结合的角度选取其大小。一种是通过理论与试验结合的角度得出截面延性系数计算公式,此公式考虑的因素很多,得出的截面延性系数很精确。
1)柱的截面延性系数与其影响因素的关系如下式
式中:N为轴力,fy为钢筋屈服强度,b为截面宽度,h为截面高度,Es为钢筋弹性变形模量,εcu为混凝土极限应变,c为保护层厚度,ρsv为箍筋体积率,fyv为箍筋屈服强,f′c为圆柱体,εc为混凝土应变,fc为混凝土的棱柱体抗压强度,μ为钢筋弹性变形模量与混凝土弹性变形模量的比值。
2)T型梁截面延性系数的计算
式中:φu为塑性转角,φy为弹性转角,Es为材料弹性模量,εy为弹性应变,εu为塑性应变,fy为钢筋屈服强度。
通过得到εy和εu,来计算截面延性系数μ。
如图3所示,是关于延性设计的一般步骤,在设计延性时,首先要根据研究给出延性系数,之后再结合延性系数给定初步的结构设计方案。再通过对延性设计方案的研究得出具体的延性系数,这个过程可能会反反复复很多次,因为延性系数的选择很重要,它关系到结构的延性是否满足,对它进行验算是必要的。通过对构件的延性和纵向配筋的研究,我们可以从理论上计算出构件的延性的大小,通过延性可以保证结构和构件在地震的作用下不发生破坏。
4 结束语
从理论的角度研究结构延性与地震作用的关系,分析纵向钢筋对延性系数的影响,得出了关系曲线。并通过延性系数的调整来设计结构延性的方案。由于地震作用的方向不确定性和地震的作用力大小只能估算,所以,在研究地震和延性的过程中要综合考虑各种因素对延性的影响。
参考文献
[1]有尤实,王东旭.浅谈抗震结构设计[J].企业技术开发,2010,29(14):135-136.
[2]白国良,刘明.荷载与结构设计方法[M].北京:高等教育出版社,2007.
[3]沈蒲生,梁兴文.混凝土结构设计原理[M].北京:高等教育出版社,2007.
[4]宋建夏.钢筋混凝土T形截面梁的截面延性系数计算[J].四川建筑科学研究,2000,26(1):4-7.
[5]GB560011-2001建筑抗震设计规范[S].北京:人民交通出版社,2001.
[6]GB 50010-2002混凝土结构设计规范[S].北京:人民交通出版社,2002.