建筑結(jié)構(gòu)基于抗震對混凝土構(gòu)件的延性研究

(西華大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 四川 成都 630001)

引言

結(jié)構(gòu)的抗震性能指標主要有周期、承載力、延性、累積滯回耗能。結(jié)構(gòu)周期決定了彈性地震作用的大小，當結(jié)構(gòu)承載力小于地震力則會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在地震作用下進入非彈性階段而產(chǎn)生損傷，而延性和累積滯回耗能的大小反映了結(jié)構(gòu)損傷程度[1]。

近年來，結(jié)構(gòu)延性設(shè)計[2-4]是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時的重點，由于地震作用的不確定性和復(fù)雜性，結(jié)構(gòu)計算模型與實際承載受力情況存在差異，目前難以確切地模擬地震作用。因此，抗震設(shè)計在很大程度上只是一種近似的估算，通過概念設(shè)計和抗震構(gòu)造措施來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的延性要求。本文針對了現(xiàn)行發(fā)展狀況，對混凝土構(gòu)件進行了一些延性分析，綜合國內(nèi)外研究情況提出改進延性的具體措施。

一、延性的定義

延性是指結(jié)構(gòu)破壞之前，在承載力無顯著下降的條件下，經(jīng)受非彈性變形的能力。延性主要有3種：曲率延性、塑性鉸轉(zhuǎn)角延性和位移延性。一般構(gòu)件的抗震性能多用位移延性來表征[5]。

結(jié)構(gòu)在地震作用下進入塑性后的破壞指標，無論變形和能量都很難求得[6]。由于地震動是完全隨機事件，事先無法預(yù)知其在未來地震動作用下將要經(jīng)歷的反復(fù)變形循環(huán)情況，故結(jié)構(gòu)在地震動作用下的滯回延性指標無法精確確定。實際運用中一般采用靜力延性指標或由周期反復(fù)荷載試驗得到滯回延性指標近似替代[7]。用位移延性系數(shù)來描述，其值為結(jié)構(gòu)極限位移和屈服位移之比。

二、連梁的延性分析

在剪力墻結(jié)構(gòu)中，連接墻肢的梁稱為連梁，它是剪力墻結(jié)構(gòu)中的重要構(gòu)件，而且是墻肢之間傳遞地震力的紐帶。在遭受強烈地震時，具有較高承載力、剛度和良好變形性能的連梁能夠作為剪力墻結(jié)構(gòu)抵抗地震作用力的第一道防線，可以在墻肢屈服之前屈服，發(fā)揮其塑性變形能力，耗散較多的地震能量，減輕主體結(jié)構(gòu)的破壞程度。由此可見，連梁的延性對整個剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能起著至關(guān)重要的作用。

文獻[8]設(shè)計了不同跨高比的鋼纖維混凝土連梁進行低周反復(fù)荷載試驗研究，可以得出構(gòu)件的位移延性系數(shù)隨跨高比的不同呈現(xiàn)明顯的變化，當跨高比從1.0增加到1.5、2.0、2.5、3.0和3.5時，延性系數(shù)分別提高了52%、57%、74%、192%和133%。當跨高比為1.0和1.5時，構(gòu)件破壞形態(tài)為斜拉破壞，其延性系數(shù)比較低；當跨高比為2.0和2.5時，延性系數(shù)有所增大，增大幅度不明顯；但當跨高比為3.0時，延性系數(shù)顯著增大且達到最大；當跨高比為3.5時，延性系數(shù)略有降低。隨著跨高比的增大，每一個循環(huán)的滯回環(huán)斜率逐漸增大，滯回曲線愈加飽滿，滯回環(huán)面積逐漸增大，極限位移和殘余變形明顯增大。

三、鋼筋混凝土柱的延性分析

框架柱的抗震設(shè)計必須從計算和構(gòu)造兩方面采取措施，做到“強柱”。這樣框架柱在地震作用下盡量不出現(xiàn)塑性鉸或不致過早屈服，即使發(fā)生塑性鉸，也要充分利用約束混凝土的構(gòu)造和對壓應(yīng)力剪應(yīng)力的限制使框架柱的壓、彎、剪不致過早退化。

收集了63個高強混凝土柱的試驗數(shù)據(jù)，逐次分析了軸壓比、配箍特征值、縱筋配筋率、保護層厚度、剪跨比與延性指標的關(guān)系[9]。文獻[10]討論了軸壓比對鋼筋混凝土柱的延性影響。文獻[11]指出，影響壓彎構(gòu)件延性的主要因素包括軸壓比、配筋率、混凝土強度、剪跨比、縱筋、保護層厚度、加載速度。文獻[12]通過在周期反復(fù)荷載作用下高強混凝土柱的受力性能試驗，考慮多種因素對柱延性影響，提出了在不同軸壓比下的抗震最小配箍特征值。文獻[13]建議將混凝土強度、箍筋體積配筋率及箍筋強度綜合考慮，利用高強混凝土的配箍特征值分析。

四、鋼筋混凝土抗震墻的延性分析

鋼筋混凝土剪力墻一直是廣大學(xué)者的研究對象[14-16]，為了提高剪力墻的延性和變形能力，剪力墻端部往往被設(shè)計成暗柱或者端柱，在端部配置箍筋來約束混凝土，提高端部混凝土的極限應(yīng)變能力，從而使其具有更好的延性和變形性能，OH[17]、Kuang[18]以及Dazio[19]的試驗均表明了這一點。

各個國家的混凝土規(guī)范對于剪力墻端部箍筋均有相應(yīng)的規(guī)定，但設(shè)計方法不完全相同。我國規(guī)范的方法是間接的延性設(shè)計法，而且形式簡單，設(shè)計方便，但不足之處是延性不能定量化，也無從知曉用現(xiàn)行設(shè)計方法的剪力墻能達到多大的延性和位移指標。

美國從ACI318-99開始到現(xiàn)行ACI318-11[20]，剪力墻端部箍筋設(shè)計采用了由Wallace等人[21]提出的基于位移設(shè)計法。新西蘭規(guī)范從NZ3101-1982到3101-2006[22]一直采用根據(jù)Paulay和Priestley[23]提出的基于延性的端部箍筋設(shè)計法，根據(jù)不同延性要求判斷是否需要在端部設(shè)置箍筋以及箍筋量的大小。美國和新西蘭的設(shè)計方法定量化，設(shè)計也較為簡單，但其方法均假設(shè)混凝土壓潰的破壞，然而剪力墻的受彎破壞還可以是鋼筋拉斷，并且此時位移和延性將很小，因此其方法也存在一定問題。

五、結(jié)論

(1)隨著跨高比的增大，位移延性系數(shù)呈現(xiàn)不同程度的增大。(2)跨高比為3.0時，混凝土連梁的延性性能達到最好。(3)軸壓比對構(gòu)件的延性有顯著影響。軸壓比增大后，混凝土構(gòu)件的延性下降。(4)隨著配箍特征值的增大，位移延性系數(shù)呈現(xiàn)遞增的性質(zhì)。(5)隨著保護層厚度占比增大，位移延性系數(shù)呈現(xiàn)遞減的性質(zhì)。(6)隨著縱筋配筋率的增大，位移延性系數(shù)呈現(xiàn)遞增的性質(zhì)。(7)隨著剪跨比的增大(>6)，位移延性系數(shù)幾乎無變化。