混凝土结构延性设计

混凝土结构延性设计

涂百灵

涂百灵

中国建筑西南设计研究院有限公司云南省昆明市650118

摘要：在当前混凝土施工设计时，要充分考虑混凝土的结构延性设计，通过混凝土的延性设计来提高混凝土的抗震性能。

关键词：混凝土；结构；延性设计

一、前言

在建筑设计施工过程中，抗震性是一项重要的内容，抗震性的主要指标是结构的延性设计，本文就混凝土结构延性设计进行阐述。二、结构延性设计的重要性抗震性能化设计是我国抗震设计发展趋势，但是目前在实际工程中对砼框架结构抗震设计大部分工程仍然采用与我国目前经济相适应的低承载力高延性设计。实现大震不坏的抗震设防目标需要砼框架结构在大震作用下仍然处于弹性状态，由于砼框架结构在设计使用期限内大震作用不一定出现，高承载力低延性的抗震设计会使砼框架结构造价高，与我国目前经济水平不相适应，且砼框架结构设计中一般未考虑出现的非预计荷载可以通过砼框架结构延性设计确保砼框架结构超载时实现延性破坏，因此目前进行砼框架结构延性设计意义仍然十分重大。

1、对于砼框架结构设计中一般未考虑非预计荷载，例如偶然超载，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，延性材料的后期变形能力可作为出现非预计荷载情况的安全储备。

2、有利于实现砼框架结构内力充分重分布砼框架结构属于超静定结构，超静定结构的内力与截面的抗弯刚度有关，若把砼框架结构设计成为延性结构，则随着荷载的增加，将在砼框架结构梁端首先出现裂缝，引起梁各截面之间相对刚度发生变化，因而导致砼框架梁中内力重分布。在砼框架结构梁端受拉钢筋屈服后，表现在砼框架结构梁端出现塑性铰，由于砼框架结构梁端塑性铰出现，改变了砼框架结构计算简图，砼框架结构将发生显著的内力重分布，得到有利的弯矩分布，使配筋合理，节约材料，而且便于砼框架结构节点施工。

三、钢筋混凝土框架结构延性性能的作用

在抗震设防地区都应当将钢筋混凝土框架结构设计成延性结构。这种结构经过中等烈度的地震作用后,加以修复仍可重新使用,在强地震下不至于倒塌,从而保证人们的生命安全。结构延性在建筑抗震中有以下作用:防止结构发生脆性破坏;实现塑性内力重分布;承受非地震作用的偶然荷载。

四、影响钢筋混凝土框架结构延性性能的因素

由于框架结构由梁、柱以及节点组成,那么影响钢筋混凝土框架结构性能的因素也就是影响柱、梁和节点延性的因素。

1、影响梁延性的主要因素

(1)钢筋和混凝土强度等级;

(2)梁截面尺寸;

(3)梁纵筋配筋率;

(4)剪压比;

(5)配箍率。

2、影响柱延性的主要因素

(1)混凝土的强度等级;

(2)框架柱的截面形状;

(3)轴压比;

(4)剪跨比;

(5)纵向钢筋的配筋率;

(6)箍筋的形式及箍筋的间距。

3、影响节点延性的主要因素

(1)钢筋和混凝土强度等级;

(2)节点形式;

(3)轴压比;

(4)剪压比;

(5)水平箍筋和竖向箍筋;

(6)柱纵向钢筋;

(7)楼板;

(8)偏心影响。

五、钢筋混凝土结构屈服机制、延性结构概念设计

对框架结构、剪力墙结构及框架一剪力墙结构体系而言都是空间结构。而且，在做了一些合理的假定后可以把空间结构简化成平面结构，使计算大大简化。规范作了一些假定，本文不再赘述。由结构力学知道，通过计算模型的简化，一榀框架结构各柱、梁间是钢结点而形成的几何不变结构体系时，是一个高次超静定结构，如果允许某些适当部位出现塑性铰而不产生构件的局部脆性破坏，那么框架结构在强地震作用下就能成为具有较大变形能力的结构，可通过结构变形来吸收和耗散能量，从而降低结构的地震反应，使地震作用得到控制，为结构提供经受强烈地震、防止倒塌的能力。所以，钢筋混凝土结构必须假设在设防地震烈度发生时，结构的某些部分钢筋会屈服，能形成具有足够转动能力的塑性铰，以保证结构具有足够的延性。如果结构能维持承载力而又具有足够的塑性变形能力，这就是延性框架。其荷载p与位移△曲线如图1：

△u为框架顶点的水平位移。框架结构的位移由各个杆件的变形构成，当各杆件都处于弹性阶段时，结构变形也是弹性的。杆件屈服后，结构就出现塑性变形。在地震作用下，首先进入屈服的构件称为主要耗能构件。这些构件在屈服进展过程中受其他处于弹性构件约束，这一阶段称为有约束屈服阶段。抗震设计就是要设法延长这一阶段以提高结构的抗震性能。这个由弹性阶段到有约束屈服阶段（弹塑性阶段），再到无约束屈服阶段（全塑阶段），直到最后破坏的过程就是结构在地震作用下表现的全过程。塑性铰可能出现在粱上，也可能出现在柱上，所以梁柱都应具有良好的延性。框架结构的屈服机制有两种基本类型：柱铰机制和梁铰机制。其他机制均可由这两种基本机制组合而成。由结构力学可知：在地震作用下框架柱先于梁出现塑性铰时，为柱铰机制，结构体系变为可变结构机制，随着框架的水平侧移急剧增大，坚向荷载引起附加弯距也急剧增大，其竖向承载力就会大大下降，当承载力下降到低于柱所担负的轴向力时，就会危及整个结构的安全；在地震作用下框架的全部梁柱先于柱出现塑性铰（约束屈服）并且最底部柱屈服，称为梁铰机制，

六、提高构件延性的措施

为增强结构在遭遇罕见地震作用时的抗倒塌能力,结构应具有较高的延性。对结构延性的要求具体体现在对构件延性的要求上,特别是要提高结构中关键构件和构件中的关键部位的延性。关键构件包括:在结构竖向的薄弱楼层的构件,结构平面上房屋周边转角处和平面突变处的构件,作为耗能元件设计的构件(如联肢剪力墙中的连梁)等。关键部位如梁柱的两端、剪力墙的底部加强部位等。在设计中一般可采取下列措施来提高构件的延性:

1、减小竖向构件的轴压比

竖向构件的延性对防止结构的倒塌至关重要。对于钢筋混凝土竖向构件,轴压比是影响其延性的主要因素之一。试验研究表明,钢筋混凝土柱子和剪力墙的变形能力随着轴压比的增加而明显下降。抗震规范对抗震等级为一级、二级、三级的框架柱和抗震等级为一级、二级的剪力墙底部加强部位的轴压比进行了限制。框架柱的初始截面尺寸常常根据轴压比的限制来进行估算。

2、控制构件的破坏形态

构件的破坏形态机理和破坏形态决定了其变形能力和耗能能力。发生弯曲破坏的构件的延性远远高于发生剪切破坏的构件,一般认为弯曲破坏是一种延性破坏,而剪切破坏是一种脆性破坏。

七、结束语

在混凝土设计施工过程中延性的好坏直接影响着混凝土的抗震性能，因此，在我们要保证混凝土结构的延性。