钢筋混凝土结构延性分析论文

钢筋混凝土结构延性分析论文

摘要：结构的塑性变形能力和抗震能力主要依靠延性来提供，结构的延性和强度是研究其抗震性能的重要指标，因此，结构的延性是否足够影响着结构的抗震性能是够能够满足设计要求。本文主要从定义、计算、影响因素、如何提高延性等方面来探究钢筋混凝土结构的延性，从而为结构的抗震设计提供可行性比较高的设计方式。

关键词：延性；钢筋混凝土结构；变形；抗震

引言

提高构件的静力承载力、变形性能可以大大提高建筑物的抗震能力，从而大大提高建筑物的安全性，此外，建筑物的抗震能力和安全性还取决于构件的动力响应以及吸收和耗散能量的能力，综上所述，建筑物的抗震性能和安全性主要是承载能力和变形能力所决定的。如果建筑结构的承载能力不足但是其变形能力很好，这样的结构能够在地震发生时吸收较多的能量，即使在早期发生破坏，但是由于变形能力好而能够承受更大的变形，建筑物不易发生倒塌。与之相比，若建筑结构的强度达到了要求，但是其变形能力很差，这样的结构属于脆性结构，在地震发生时吸收的能量很少，一旦地震作用超过了设计时考虑的设计水平，建筑物就会由于发生脆性破坏而出现突然倒塌的现象，这样的破坏形式更为不合理。因此，在地震多发地区的建筑物设计时首先要考虑延性设计以提高建筑物的抗震性能。

1、定义

结构的延性代表着结构的变形能力，即在不影响结构承载能力的前提下发生塑性变形的能力。结构的延性直接反映了结构地震时发生塑性变形的`能力，决定着结构在发生地震时是否能够防止倒塌。受弯构件在承受荷载的过程中，受拉区的混凝土首先出现裂缝，其变形属于非弹性变形，随之，受拉钢筋出现屈服，此时的受压区混凝土被压碎，从而构件发生破坏。从受拉钢筋屈服到构件破坏这一过程中，构件的承载力没有发生多大的变化，但构件的变形能力决定了其破坏的性质。如果这种后期非弹性变形能力很大，延性就越好，其破坏成为延性破坏；反之，延性就差，成为脆性破坏。如图1所示，钢筋混凝土受弯构件在脆性破坏和延性破坏形式下的荷载—挠度曲线可以很直观地表现出来。钢筋混凝土结构的延性可以分为三个方面来理解其概念：首先是结构构件截面的延性，延性的好坏取决于截面破坏的形式，截面的破坏形式一般可分为剪切破坏以及弯曲破坏，如果截面发生的是弯曲破坏，那截面的延性主要受截面受压区高度的影响，截面的受压区高度越小，则截面产生的转动越大，从而构件截面的延性就越好，反之，截面的受压区高度越大，则构件截面的延性就越差；其次是结构构件的延性，构件的延性主要受构件的约束条件的影响，此外，构件的延性还与塑性铰的出现次序、构件截面的延性有关；最后是结构的延性，结构延性的大小主要取决于结构构件的延性和结构构件的强度对比。在度量延性大小的时候有一个很重要的指标，即延性系数。延性系数主要包括三种，这三种延性系数分别是曲率延性系数、位移延性系数和转角延性系数。曲率延性系数μφ=φu/φy一般用来表示截面的延性，φu为极限状态下的曲率，φy为屈服状态下的曲率；位移延性系数μΔ=Δu/Δy和转角延性系数μθ=θu/θy通常用来表示结构或构件的延性系数，Δu为极限状态下的位移，Δy为屈服状态下的位移，θu为极限状态下的转角，θy为屈服状态下的转角。一般认为，钢筋混凝土结构要满足抗震要求，其延性系数要在3到4之间。

2、影响因素

根据曲率的计算公式φy=εs/（d—kd）和φu=εc/c，分析可知：（1）受拉钢筋含量的增加降低了延性。因为此时受拉钢筋屈服时的受压区高度kd和构件破坏时的受压区高度c都增大了，所以φy增大，φu减小，从而，μφ=φu/φy减小，延性降低。（2）受压钢筋含量的增加提高了延性。因为此时受拉钢筋屈服时的受压区高度kd和构件破坏时的受压区高度c都减小了，所以φy减小，φu增大，从而，μφ=φu/φy减小，延性提高。（3）提高受拉钢筋的屈服强度降低了延性。因为此时受拉钢筋屈服时的受压区高度kd和构件破坏时的受压区高度c都增大了，所以φy增大，φu减小，从而，μφ=φu/φy减小，延性降低。（4）提高混凝土的抗压强度提高了延性。因为此时受拉钢筋屈服时的受压区高度kd和构件破坏时的受压区高度c都减小了，所以φy减小，φu增大，从而，μφ=φu/φy减小，延性提高。（5）预应力的存在降低了构件的延性。对构件施加预应力的目的是为了控制其变形（挠度和裂缝），就受弯构件而言，预应力对承载力影响不大，却延长了未裂阶段，缩短了带裂缝工作阶段，大大地降低了构件破坏时的非弹性变形能力，即延性。

3、保证措施

前面介绍的关于延性的定义以及影响延性的因素，最重要的目的是为了提高建筑物的延性以提高其抗震性能。地震作用的实质就是一种周期较低的交变循环荷载，当地震作用于结构上时，结构反应的变形特性（恢复力特性曲线）与单调一次加载时的曲线是不同的，因此关于抗震结构的延性设计在计算的时候是十分复杂的。实际进行工程设计的时候，结构或构件的延性一般不作具体的计算，保证结构（或构件）足够的延性主要依靠构造措施。

（1）如果建筑物是砌体结构，一般通过设置构造柱与圈梁的方式增加其延性，这样的方式能够对墙体产生较大的约束作用，在建筑物遇到较大的地震作用时，建筑物能够保证良好的变形能力，从而大大增加了结构的整体延性。这是一种十分有效的抗倒塌措施，为了保证构造柱和圈梁的约束作用能够发挥其效用，必须严格按照规范的要求进行设置构造柱和圈梁。

（2）如果建筑物属于框架结构，那么在进行抗震设计的时候首先要先确定一个方向，即抗震设计并没有要求构件的截面受弯承载力越高越好，正确的方式应该是框架两端可以先出现塑性铰，柱中尽量推迟或者不出现塑性铰，满足“强柱弱梁”的设计要求。梁端塑性铰在转动的过程中，梁和柱的受弯承载力不能超过其受剪承载力，满足“强剪弱弯”的设计要求。在这些设计要求都满足之后，根据这种方式设计出的梁铰型延性框架遇到强烈的地震作用时，其变形能力会比较强，并且这样的结构能够很好的吸收和耗散地震能量。由于框架底层柱根部过早的出现塑性铰会使得整体框架延性及耗能能力减弱，因此，为了避免这种情况的发生，规范规定，梁底层柱的抗弯能力需要加强，还应限制柱的轴压比，对柱端进行箍筋加密，规定纵向钢筋的最大配筋率，从而保证框架柱具有足够的延性。此外，为了保证框架梁的延性足够，规范规定，梁的截面宽度在设计的时候不应太小，这样会限制纵向受拉钢筋的配置，还规定钢筋在受压区和受压区的面积比值，梁端的箍筋加密也做出了一系列的要求。

4、结语

延性设计在结构的抗震设计中是十分重要的，采取合理的构造措施，就可以保证结构的整体性，增强抗震结构的延性性能，从而提高结构的变形能力，保证整个建筑物实现抗震设防。