混凝土延性.pptx

现代结构工程结构延性根据震害以及近年来国内外试验研究资料，延性框架设计时应注意以下几点：（1）“强柱弱梁”设计原则控制塑性铰的位置。（2）梁柱的延性设计。（3）“强节点弱构件”设计原则。（4）延性结构的优越性。（5）影响延性的因素。（1）“强柱弱梁”设计原则控制塑性铰的位置在地震作用下，框架中塑性铰可能出现在梁上，也可能出现在柱上，但是不允许在梁的跨中出铰。梁的跨中出铰将导致局部破坏。在梁端和柱端的塑性铰，都必须具有延性，才能使结构在形成机构之前，结构可以抵抗外荷载并具有延性。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。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。这种结构破坏时只跟最薄弱层柱的强度和延性性能有关，而与其它各层梁柱的承载能力和耗能能力均没有发挥作用。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。（2）梁柱的延性设计应遵循的原则：1）“强剪弱弯”设计原则控制构件的破坏形态2）梁、柱剪跨比限制3）梁、柱剪压比限制4）柱轴压比限制及其它措施5）箍筋6）纵筋配筋率1）“强剪弱弯”设计原则控制构件的破坏形态适筋梁或大偏压柱，在截面破坏时可以达到较好的延性，可以吸收和耗散地震能量，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，避免发生延性较差的剪切破坏，而且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，对构件的破坏形态有很重要的影响。比如，柱的剪跨比（M、V分别是截面承受的弯矩、剪力值，hc为柱截面高度）。试验研究发现，剪跨比2的柱属于长柱，只要构造合理，通常发生延性好的弯曲破坏；当剪跨比1.52的柱为短柱，柱子将发生以剪切为主的破坏，当提高混凝土强度等级或配有足够的箍筋时，也可能发生具有一定延性的剪压破坏；而当剪跨比1.5时为极短柱，柱的破坏形态是脆性的剪切斜拉破坏，几乎没有延性，设计中应当避免。3）梁、柱剪压比限制当构件的截面尺寸太小或混凝土强度太低时，按抗剪承载力公式计算的箍筋数量会很多，则箍筋在充分发挥作用之前，构件将过早呈现脆性斜压破坏，这时再增加箍筋用量已没有意义。因此，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，同时，也可有效地防止斜裂缝过早出现，减轻混凝土碎裂程度。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轴压比N指柱有地震作用组合的柱轴压力设计值N与柱的全截面面积Ac和混凝土轴心抗压强度设计值fc乘积的比值，（bc、hc分别为柱截面的宽度和高度）。框架柱在竖向荷载与地震作用下的轴压比宜满足表1的规定。若不满足，可加大截面尺寸或提高混凝土强度等级。表1柱轴压比限值抗震等级一二三轴压比限值0.70.80.95）箍筋震害表明，梁端、柱端震害严重，是框架梁、柱的薄弱部位。所以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，可约束核心混凝土，显著提高塑性铰区混凝土的极限应变值，提高抗压强度，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；而且钢箍作为纵向钢筋的侧向支承，阻止纵筋压屈，使纵筋充分发挥抗压强度。所以规范规定，在框架梁端、柱端塑性铰区，箍筋必须加密。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。为此，规范对一、二、三级抗震等级框架梁的x/h0和max作出了规定。同时，框架梁还应满足最小配筋率的要求。而为了避免地震作用下框架柱过早地进入屈服阶段，增大屈服时柱的变形能力，提高柱的延性和耗能能力，全部纵向钢筋的配筋率不应过小。（3）“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。（4）延性结构的优越性第一，破坏前有明显预兆，破坏过程缓慢，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。此外，结构的延性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。（5）影响延性的因素1.材料强度2.轴压比3.箍筋的构造要求4.纵向钢筋的配筋率和钢筋的屈服强度5.剪跨比1.材料强度混凝土强度直接影响结构抗剪承载力，特别是节点核心区因混凝土强度不足而开裂后破坏，提高混凝土强度等级则可以提高节点核心区的承载力。不过对于承受一定荷载的框架，混凝土强度过高，则梁、柱的截面尺寸就会减小，混凝土的抗剪截面也相应减小，在一定配箍率下，其抗剪承载力会有所下降，对其抗震性能反而不利。钢筋的变形直接影响结构的延性为使结构在产生塑性铰时有良好的变形能力来吸收或消耗能量，应该使用延展性较好的钢筋。2.轴压比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。在抗震设计中应该控制柱的轴压比不超过限值，使其发生大偏压破坏并有较高的延性。规范规定，对于框剪相应于一、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是指柱轴压比设计值与柱轴压比承载力设计值的比值。3.箍筋的构造要求沿梁的纵向配置封闭的箍筋，不但能防止脆性的剪切破坏，而且可以对受压区混凝土起约束作用。收到约束的混凝土，其极限压应变能提高。箍筋布置的越密，直径越粗，其约束作用越大，对构件的延性的提高也越大。特别是超筋情况，箍筋对延性的影响就更显著。4.纵向钢筋的配筋率和钢筋的屈服强度随着纵筋率和钢筋的屈服强度的提高，混凝土相对受压区高度增大，截面延性降低。但混凝土受压区配置受压钢筋，可以减少相对受压区高度，改善构件的延性。因此应该限制纵向受拉钢筋的配筋率和高强钢筋的使用，以保证结构有足够的延性。5.剪跨比剪跨比反映了构件截面承受的弯矩与剪力的相对大小。是影响梁、柱极限变形能力的主要因素之一，对构件的破坏形态有很重要的影响。根据剪跨比可以将柱分为长柱、短柱、极短柱。大量试验表明：长柱时，单调荷载特别是低周反复荷载作用下一般发生延性较好的弯曲破坏，而短柱则一般发生在延性较差的斜截面收件破坏，脆性破坏较矩形显著。