建筑結構基于抗震對混凝土構件的延性研究

(西華大學土木工程與建筑學院 四川 成都 630001)

引言

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

近年來，結構延性設計[2-4]是建筑結構設計時的重點，由于地震作用的不確定性和復雜性，結構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，抗震設計在很大程度上只是一種近似的估算，通過概念設計和抗震構造措施來實現結構和構件的延性要求。本文針對了現行發展狀況，對混凝土構件進行了一些延性分析，綜合國內外研究情況提出改進延性的具體措施。

一、延性的定義

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

結構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，事先無法預知其在未來地震動作用下將要經歷的反復變形循環情況，故結構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荷載試驗得到滯回延性指標近似替代[7]。用位移延性系數來描述，其值為結構極限位移和屈服位移之比。

二、連梁的延性分析

在剪力墻結構中，連接墻肢的梁稱為連梁，它是剪力墻結構中的重要構件，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構抵抗地震作用力的第一道防線，可以在墻肢屈服之前屈服，發揮其塑性變形能力，耗散較多的地震能量，減輕主體結構的破壞程度。由此可見，連梁的延性對整個剪力墻結構的抗震性能起著至關重要的作用。

文獻[8]設計了不同跨高比的鋼纖維混凝土連梁進行低周反復荷載試驗研究，可以得出構件的位移延性系數隨跨高比的不同呈現明顯的變化，當跨高比從1.0增加到1.5、2.0、2.5、3.0和3.5時，延性系數分別提高了52%、57%、74%、192%和133%。當跨高比為1.0和1.5時，構件破壞形態為斜拉破壞，其延性系數比較低；當跨高比為2.0和2.5時，延性系數有所增大，增大幅度不明顯；但當跨高比為3.0時，延性系數顯著增大且達到最大；當跨高比為3.5時，延性系數略有降低。隨著跨高比的增大，每一個循環的滯回環斜率逐漸增大，滯回曲線愈加飽滿，滯回環面積逐漸增大，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

框架柱的抗震設計必須從計算和構造兩方面采取措施，做到“強柱”。這樣框架柱在地震作用下盡量不出現塑性鉸或不致過早屈服，即使發生塑性鉸，也要充分利用約束混凝土的構造和對壓應力剪應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據，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范對于剪力墻端部箍筋均有相應的規定，但設計方法不完全相同。我國規范的方法是間接的延性設計法，而且形式簡單，設計方便，但不足之處是延性不能定量化，也無從知曉用現行設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開始到現行ACI318-11[20]，剪力墻端部箍筋設計采用了由Wallace等人[21]提出的基于位移設計法。新西蘭規范從NZ3101-1982到3101-2006[22]一直采用根據Paulay和Priestley[23]提出的基于延性的端部箍筋設計法，根據不同延性要求判斷是否需要在端部設置箍筋以及箍筋量的大小。美國和新西蘭的設計方法定量化，設計也較為簡單，但其方法均假設混凝土壓潰的破壞，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、結論

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