范文一:建筑结构的延性设计
建筑结构的延性设计
【摘 要】建筑构造延性的侧重研究对象主要针对的是荷载作用较大引起的相关问题,如脆性、变形、塑性破坏等问题。与此同时,延性主要通常包括截面延性、结构延性、以及组成建筑结构的构件延性等。所以由此可见,当建筑物延性设计不足、或者延性较差,必然会不符建筑结构延性载荷的规定要求,从而一旦地震灾害发生时所产生的生命财产损失将十分严重。所以针对这一问题,本文对建筑延性设计进行了研究,并提出了相关设计方法与控制举措。
【关键词】建筑结构;延性;荷载;设计
延性包括材料、截面、构件和结构的延性。延性是指屈服后,强度和承载能力没有显著降低时的塑性变形能力。延性大,说明塑性变形能力大,强度或承载力的降低缓慢,从而有足够大的能力吸收和耗散地震能量,避免结构倒塌;延性小,说明达到最大承载能力后承载力迅速降低,变形能力小,呈现脆性破坏,引起结构倒塌。
结构延性可以来自材料延性、截面曲率延性、构件位移延性和结构位移延性。一般来说,对截面延性的要求高于对构件延性的要求,对构件延性的要求高于对结构延性的要求。我国规范没有对结构、构件的延性系数和耗能能力做定量的规定,只规定了罕遇地震作用下各结构体系的弹塑性层问位移角限值。例如,钢筋混凝土框架结
,200左右,规范规定其弹塑性层间位移构的屈服层间位移角为1
角限值为1,50。
建筑物的延性设计合理必然会提高建筑物延性,即提高建筑物承载能力,从而使得一旦发生荷载作用力较大、引起建筑塑性变形时,就不至于建筑物出现塑性变形过量破坏、脆性突出的不利局面。也就是说,建筑物延性良好,其抗震能力、极限弹性必然会很高;反之,建筑物延性较差,其抗震能力、极限弹性也就很低,从而导致荷载作用过大、超越极限弹性允值范畴,引起塑性轻易破坏的可能,即这时建筑物的脆性就很大,同时这也是建筑物脆性的一种体现。基于此,文章中就建筑结构延性问题作为切入视角进行了研究,并与之提出了建筑延性设计、控制举措。
1 建筑物延性设计定义概述
由建筑延性设计而来的问题很多,其中最为明显的是载荷、建筑变形、以及与其相对的脆性问题。总的来说,建筑延性设计包括对建筑构造的设计,同时也包括建筑结构中的组成构件设计。当然,在具体延性设计处理过程中,必然也是通过位移延性、曲率延性、以及塑性等指标去体现。如,在塑性铰区定量配置约束箍筋,就能够提高建筑结构混凝设计的极限应变能力,进而使建筑构造构件具备强大的延性能力。
我国地震区分布较广,在抗震设防地区(特别是高烈度区),概念设计是结构抗震设计的重要内容,大震作用下的延性设计是结构耗散地震能量、避免结构倒塌的重要设计方法。建筑抗震概念设计主要包括建筑结构的规则性设计、合理的建筑结构体系设计、抗侧力
结构和结构构件的延性设计三个主要方面。
2 建筑结构常用延性设计与提高延性举措
2.1 常用延性设计
2.1.1 砌体结构设计。建筑结构柱和圈梁的砌筑墙体部分当受到水平和竖直方向的荷载作用力,并随着荷载作用力能够达到墙体主裂缝形成的需求时,荷载作用力的作用结果就会使墙体发生主裂缝,且主裂缝会把墙体分为四个块体。此时,水平载荷作用力作用下,水平两侧方向的三角形块体就会产生位移,即向外逐渐移动,自此导致裂缝的开裂程度加大,而此裂缝也随时间推移不断发展,直到与墙体脱离;在中间结构的上下方向,两块墙体的承压面积也会发生变化,即面积逐渐缩小,从而使得支护、荷载达不到原先承受要求,出现坍塌,墙体的承载能力也就此消失。但是,如果在建筑墙体部分设置好构造柱与圈梁,就能够阻止三角块体向外移动,从而大幅度降低了墙体刚度衰退、向外位移而坍塌的现象发生,提高了墙砌体的耗能能力。由此可见,墙体与构造柱、圈梁之间的结构设计,在很大程度上保证了墙体的刚度衰退、并在三者共同作用下形成了一个塑性铰区域,进而墙体的极限弹性也提高了,同时塑性变形破坏现象也能够避免;即使大地震发生,也不至于导致建筑物墙体突然快速坍塌,能够确保建筑框架结构发挥塑性变形功能,从而确保了建筑损坏的部分能够修复,不至于废弃。
2.1.2 钢筋混凝土结构设计。钢筋混凝土结构都应该设计成延性
结构。“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设计原则,也就是要做到在设防烈度地震作用下,允许部分构件出现塑性铰,这种状态是“中震可修”状态;合理控制塑性铰部位、构件又具备足够的延性,可做到在大震作用下结构不倒塌的状态。
延性结构的塑性变形可以耗散地震能量,虽然结构变形会加大,但内力不会很大,对构件的承载能力要求不会很高。也就是说,延性结构是用它的变形能力,而不是承载力抵抗强烈的地震作用。因此,对于地震发生概率极少的抗震结构,延性结构是一种经济合理和安全的设计方向。
塑性变形性能良好的钢筋混凝土构件,应当确保抗拉强度、屈服强度指标参数合理,即参数值不宜过小。其衡量标准为:在钢筋的极限强度为能达到时所产生的变形能力、以及屈服强度等仍然能有余量。而在设计时,可以综合考虑,即根据建筑结构特点合理设计框架梁、柱节点位置、以及配筋等,从而才能强化梁、柱之间的建筑构造延性。
当然,钢筋混凝土的强度高就并非一定代表其性能良好,应因地制宜的根据实际情况加以设计、分析,如混凝土强度高也会导致脆性因素不断提升,进而导致与其相对应的建筑延性降低。也就是说,如果结合抗震设计指标,如9度的抗震设计,一般选用c60以下;8度选用的是c70以下,不宜超过此范畴;此外,还要根据混凝土的受压构件的轴压比进行调整、控制,从而能够确保结构达到合理
延性标准与要求。同时,效果良好的箍筋进行优化、配置,也能够受到很好的理想成效,即实现了增进混凝构件的变形能力、以及极限强度与耗能能力;而具体优化箍筋时可考虑箍筋的形式、间距、以及数量等指标之间的规律、联系。总之,调整、控制轴压比能够增强建筑构造的延性,同时在钢筋混凝土的受压区配比一定规模的受压钢筋,并调整好截面形式等,那么就必然会提高构件载荷、增强结构延性。
结语
建筑结构安全性能得到保证涉及到方方面面。而建筑结构延性问题作为其中热议的焦点问题固然有着它的现实意义与指导作用。因此,为了保证建筑结构抗震安全、降低生命财产损失,就应当合理提高建筑结构的延性,对结构承载能力、变形能力、抗剪能力等因素加以分析考虑,从而才能实现建筑结构合理设计。
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范文二:结构延性
钢筋混凝土框架结构是最常用的结构形式。结构抗震的本质就是延性, 提高延性可以增加结构抗震潜力, 增强结构抗倒塌能力。为了利用结构的弹塑性变形能力耗散地震能量, 减轻地震作用下结构的反应, 应将钢筋混凝土框架结构设计成延性框架结构。
钢筋混凝土结构的各类构件应具有必要的强度和刚度,并具有良好的延性性能,避免构件的脆性破坏,从而导致主体结构受力不合理,地震时出现过早破坏。因此,可以采取措施,做好延性设计,防止构件在地震作用下提前破坏,并避免结构体系出现不应有的破坏。
参考文献:
1 前言
在现代房屋结构设计中,延性研究越来越显得重要,钢筋混凝土结构延性的研究是塑性设计方法和抗震设计理论发展的基础。所谓延性是指材料、构件和结构在荷载作用下,进入非线性状态后在承载能力没有显著降低情况下的变形能力。描写延性常用的变量有:材料的韧性,截面的曲率延性系数,构件或结构的位移延性系数,塑性铰转角能力,滞回曲线,耗能能力等。试验和非线性计算分析表明:构件的结构的破坏由受拉钢筋引起的,常表现出良好的延性,如适筋梁、大偏心受压柱等;而破坏由混凝土拉断、剪坏和压溃控制的常表现为脆性,如素混凝土板、超尽梁、地震作用下剪切破坏的短柱等。
对于建筑结构系统来说,一方面,钢筋混凝土构件的功能依赖于整体结构系统功能,任何构件一旦离开整体结构,就不再具有它在结构系统中所能发挥的功能;另一方面,构件又影响整体结构系统的功能,任何构件一旦离开整体结构,整体结构丧失的功能不等于该构件在结构系统中所发挥的功能,可能更大,也可能更小。在地震作用下,有可能由于部分构件的破坏乃至退出工作,整个结构体系会因此破坏,这里的部分构件包括了结构构件以及非结构构件。
在地震作用下,混凝土结构或构件的破坏可分为脆性破坏和延性破坏两种,其中脆性破坏的危害时非常大的,设计上是一定要避免的,而延性破坏时指构件承载力没有显著降低的情况下,经历很大的非线性变形后所发生的破坏,在破坏前能给人以警示。钢筋混凝土结构的各类构件应具有必要的强度和刚度,并具有良好的延性性能,避免构件的脆性破坏,从而导致主体结构受力不合理,地震时出现过早破坏。因此,可以采取措施,做好延性设计,防止构件在地震作用下提前破坏,并避免结构体系出现不应有的破坏。
2 延性设计的重要性
目前,结构抗震设计的基本原则是:“ 小震不坏,中震可修,大震不倒”。如果把建筑物设计成在强烈地震作用下仍呈弹性反应,那么建筑物的造价将是十分昂贵的。把建筑物设计成在强烈地震作用下呈非线性反应,进入屈服状态,靠结构的延性耗散地震能量,从而度过灾难而不倒塌,建筑物的造价比前者大大降低。此外,结构的延性也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。
在实际工程中进行延性设计有重大的意义,可从延性结构的优越性加以说明:
第一, 破坏前有明显预兆,破坏过程缓慢,确保生命安全,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。
结构抗震的本质就是延性,用受弯构件来说举例:随着荷载增加,首先受拉区混凝土出现裂缝,表现出非弹性变形。然后受拉钢筋屈服,受压区高度减小,受压区混凝土压碎,构件最终破坏。从受拉钢筋屈服到压区混凝土压碎,是构件的破坏过程。在这过程中,构件的承载能力没有多大变化,但其变形的大小却决定了破坏的性质。
3 影响构件延性的因素
3. 1纵向钢筋配筋率
试验表明,当梁纵向受拉钢筋配筋率很高时,在弯矩达到最大值时,弯矩——曲率曲线很快出现下降;当配筋率较低时,弯矩达到最大值后能保持相当长的水平段,因而大大提高了梁的延性和耗散能量的能力。理论上,当梁的纵向配筋率取为平衡配筋率时,纵向受拉钢筋屈服与压区混凝土压碎同时发生,截面延性系数为零。因此,应限制纵向受拉钢筋配筋率,保证构件具有足够的延性。混凝土受压区配置受压钢筋,可以减少相对受压区高度,改善构件延性。
3. 2约束构件延性
在受压构件或压弯构件中配置封闭式箍筋、螺旋筋等密排横向钢筋,可以限制混凝土的横向变形,提高构件的承载力和极限变形能力,使得混凝土构件在极限荷载下具有良好延性性能。 箍筋对构件延性的贡献,取决于箍筋的形式和体积配箍率。不同形式的箍筋对核心区混凝土的约束作用时不相同的,螺旋箍筋对核心区混凝土产生均匀分布的侧向压力,使混凝土处于三向受压状态,矩形箍筋只对角隅处混凝土产生有效的约束,侧面混凝土有外凸的趋势,约束作用降低。因此配有螺旋箍筋的构件,其延性好于配有矩形箍筋的构件。
3. 3构件的破坏类型
以砼框架结构为例,截面的破坏形态有剪切破坏、弯曲破坏、小偏心的受压破坏,大偏心的受压破坏。但按受力特点可分为两类:受压破坏和受拉破坏。其中弯曲破坏和大偏心受压破
坏属于受拉破坏,剪切破坏和小偏心受压破坏属于受压破坏。受拉破坏是由受拉钢筋屈服引起的破坏,受拉钢筋进入屈服阶段形成塑性铰,在截面完全破坏达到承载力极限状态前,要经历较大的塑性变形才达到承载力极限状态,由于形成了塑性铰,截面塑性变形引起截面裂缝急剧开展和变形急剧增加,而后混凝土才达到极限压应变压碎,到达承载力极限状态,截面破坏阶段能给人以明显的破坏预兆,具有延性破坏的性质;受压破坏是由受压砼压碎引起或斜截面控制的破坏,破坏过程中未形成塑性铰无明显的塑性变形,不能给人以明显的破坏预兆,由于这种破坏带有一定的突然性,具有脆性破坏的性质。当结构中截面出现受压破坏时,塑性变形小,结构延性差;当结构中截面出现受拉破坏时,塑性变形大,结构延性好。 4 钢筋混凝土结构的延性保证
钢筋混凝土结构中钢筋的塑性变形性能、混凝土的韧性及钢筋与混凝土的粘结锚固性能对结构的延性影响较大,在材料的选用上要考虑这些因素。构件的纵筋易选用延伸率较大、与混凝土粘结性能好的Ⅱ、Ⅲ级钢筋。采用冷拉钢筋、高强钢筋(丝) 和钢绞线等延伸率较低的钢筋配制预应力混凝土结构,只要适当配置热轧非预应力钢筋、保证配筋指数不超过一定限制和适当提高箍筋构造要求,结构的延性也可满足抗震要求。混凝土的强度和施工质量对钢筋的粘结锚固至关重要,而只有避免钢筋与混凝土的粘结锚固失效才能确保结构的延性。因此,为确保钢筋与混凝土的粘结,规范规定:一级抗震的框架要求混凝土强度等级不低于C30,其它抗震等级时不低于C20。C60 和C60以上的高强混凝土本身的韧性降低,对结构的延性不利。
4. 1轴压比限值
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。在抗震设计中应控制柱的轴压比不超过限值,使其发生大偏压破坏并具有一定延性。规范规定,对于框架柱相应于一、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系指柱轴压力设计值与柱轴压承载力设计值得比值。
4. 2筋的构造要求
梁的延性随截面受压区高度减小而增大,一般截面受压区高度χ=0.35∶0.20ho 时,位移延性系数相应为3~4。所以规范规定,一级抗震等级时,χ≤0.25ho,二、三级抗震等级时,χ≤0.35h0,并且要求受压钢筋与受拉钢筋之比控制在一定范围内,即A ' s≥0.5As(一级抗震),A' s≥0.3As(二级抗震)。为防止过多的纵向受拉钢筋在地震中使梁产生粘结劈裂破坏,规范还规定ρs≤2.5%。在地震作用下,梁的反弯点变化很难准确预计,所以应有足够数量的钢筋贯通梁的上、下部。同时将梁的最小配筋率比非地震作用时的规定予以提高。为防止地震作用下柱子少筋脆性破坏和超筋粘结劈裂破坏,柱的纵向配筋率不得少于0.8%、0.7%、0.6%、0.5%、(相应于一、二、三、四级抗震等级),角柱的上述限值相应提高0.1%;柱的纵向配筋率最大间距不宜超过200 mm。
4. 3箍筋的构造要求
箍筋不仅提供构件和节点的抗剪能力,确保“强柱弱梁”和“强节点”设计目标的实现,同时还对梁、柱塑性铰区混凝土和受压钢筋提供约束作用,延缓塑性铰的破坏过程,从而改善结构的延性和耗能能力。梁和柱的剪切破坏区和弯压塑性铰区均发生在构件的两端,因此应对构件两端的箍筋加密设置。加密区的构造要求包括加密区的长度、箍筋最小直径、最大间距和最小体积率的规定。同时规范还规定了箍筋延构件全长的最小体积率以及节点的最小体积率。其中柱加密区和节点的箍紧最小体积率除与抗震等级有关外,还与柱的轴压比和箍筋的类型有关。抗震等级高要求的最小体积率高、轴压比高要求的最小体积率高,采用普通箍筋比采用螺旋箍筋要求的体积率高。对于一级抗震的角柱在地震作用下可能伴随扭转作用,Hn/h 小于4 的框架柱可能产生剪切破坏,这两种情况需要在全长加密箍筋。可见箍筋的构造规定是保证“大震不倒”设计目标实现的最重要的措施。
5 结语
从钢筋混凝土结构的抗震设计基本原则,到结构抗震承载力和变形验算以及抗震构造措施的制定,都离不开对结构和构件延性的深入研究。更好的研究它和应用它,使建筑物既能达到国家抗震设计标准,又能够符合经济合理的原则。
范文三:浅谈结构延性的重要性
浅谈结构延性的重要性
(主论文)
作者:蒋金泉
单位:云南人防建筑设计院有限公司
日期:二〇一五年五月
浅谈结构延性的重要性
云南人防建筑设计院有限公司 蒋金泉
【摘要】:混凝土延性设计是提升建筑结构的整体性、稳定性,减少结构受到外力时受到的破坏程度,提升建筑抗震能力,对于建筑安全以及使用者的安全都有着重要意义。本文从混凝土结构延性概念、重要性、延性设计进行了分析。
【关键词】:延性 抗震性能 延性设计措施 构件延性 结构整体延性
一、前言
在结构抗震设计时,我们通常会说,要保证结构有足够的延性,何为延性?为何延性在抗震设计中如何重要?
本文讲介绍延性的基本概念和设计中怎样实现提高结构构件和结构整体延性的方法,以及对设计过程中容易出现的误区给予总结。
二、延性的概念
在结构抗震设计时,我们通常会说,要保证结构有足够的延性,何为延性?为何延性在抗震设计中如何重要?首先看玻璃和橡胶,哪个抗压强度大?当然,这里指的是普通玻璃,不是钢化玻璃。肯定玻璃的强度要高一些,试想一下,你拿根坚硬的针,能在玻璃上能扎个孔出来吗?似乎很
难。但是,你可以很容易的在橡胶上扎个孔。尽管玻璃的强度大,但是你不会觉得玻璃更“结实”,你试着拿个锤子,可以一锤子将玻璃砸碎,但是却不会砸碎橡胶。原因在于,橡胶的变形能力大,即延性大。当材料的强度提高时,它的变性能力,即延性通常会变差。
结构设计也是一样的道理,我们不可能无限制的通过提高结构的承载能力来达到抗震的目的,原因在于:(1)地震具有不确定性,就算承载能力再高,也有可能会遭遇超过设防烈度的地震作用;(2)结构设计的基本原则应该是安全、经济、有效,承载能力设计过高,经济性差,因为设计了如此高的承载能力,花费了巨额投资,在结构服役期内却未必有地震作用;(3)更重要的是,承载力设计过高,结构的延性较差,会出现地震作用超过承载能力后,结构象玻璃一样立即产生“脆性破坏”。
框架结构中,延性设计措施概括起来有三句话:强柱弱梁,强剪弱弯,强节点强锚固。
(1)强柱弱梁,是要求结构在强震下进入塑性阶段时,塑性铰要在首先在梁端出现,而不是柱端。因为梁端塑性铰为局部破坏机制,可以利用梁端塑性铰的转动来耗能。而柱端塑性铰为整体倒塌机制,柱端一旦出现塑性铰,整个结构将会丧失承载能力。
(2) 强剪弱弯,是要求结构的抗剪能力要强于抗弯能力,避免结构或构件在弯曲破坏之前已经形成剪切破坏,以保证构件、结构的延性。因为剪切破坏是一种脆性破坏,耗能能力差。
(3)强节点强锚固,是指构件在自身破坏之前,避免出现节点区破坏和钢筋锚固破坏,否则构件自身的耗能能力无法得到充分利用。
而结构设计中,重要构件往往通过限制配筋率来确保其性能发挥,超限审查中也经常伴随着提高某一批次构件的配筋率,然配筋率与延性之间到底有着怎样的千丝万缕?
先给延性戴个帽,延性指结构或构件屈服后,强度或承载力没有显著降低时的塑性/非弹性变形能力。分为材料、截面、构件及结构延性,常用延性系数来表达,即:
材料延性是应变延性,通过应力-应变曲线来反映,表观的是材料屈服后的塑(脆)性变形能力;截面延性是曲率延性,通过受压区高度来反映,表观的是截面屈服后的塑性转动能力;
构件延性是位移延性,通过塑性铰来反映,表观的是塑性铰的转动能力;
结构延性也是位移延性,通过基底剪力-顶点位移曲线或层剪力-层位移曲线来反映,表观的是整体塑性变形能力。
四种延性之间存在着相互牵制与影响,尤其是材料延性与截面延性、构件延性与结构延性,材料延性与截面延性是负相关的,构件延性与结构延性的关系取决于塑性铰形成后结构的破坏机制(仍是现阶段结构工程领域研究热点与难点)。
材料延性是根本,是本构关系的层次(本构关系仅针对材料而言,然设计中不乏构件本构,更有甚者,出现结构本构),影响着其他三种延性,一般采用应变延性指标来衡量,即极限应变/屈服应变。结构中存在两大材料:钢与砼,钢应力-应变曲线设计者应很熟悉,弹性段、屈服段(屈服点)、强化段与颈缩段,具体来讲,钢延性指标=峰值应力应变/屈服点应变;砼
本构研究最透彻的当属非约束混凝土的单轴受压本构,应变延性与砼强度存在很大关系,随强度提高,应力-应变曲线的弹性工作段拉长,峰值应变值提高,下降段陡峭(意味着脆性强化)。砼延性指标=极限应变/峰值应变,砼极限应变可取0.003~0.004,普通砼峰值应变为0.0015~0.002,高强砼峰值应变为0.002;实际结构砼基本都属于约束砼,由于箍筋的环箍效应,应力-应变关系也发生了变化,约束越好延性越好,约束的好与不好通过配箍特征值来衡量。规范中对材料使用的限定一般是从材料延性考虑,如“对于框支梁、框支柱及一级框架梁、柱,砼强度等级不应低于C30?钢筋的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值不应小于1.25?钢材的屈服强度实测值与抗拉强度实测值的比值不应大于0.85?”。
截面延性衡量着截面的塑性转动能力,即塑性铰的转动能力,对应于弯矩-曲率关系曲线,表达式为极限曲率/屈服曲率。在适当配筋率下,由于受拉钢筋屈服时截面并没有屈服,因此需对屈服曲率进行放大调整,调整系数约为1.1~1.2,即,极限曲率通常取受压区边缘混凝土达到其极限压应变时的曲率,即:截面曲率延性一般可从相对受压区高度的角度理解,影响截面延性的因素主要有:
1)砼强度,两面性:强度提高脆性增强,材料延性降低;强度提高受压区高度减少,截面延性提高;
2)轴压比,减小轴压比,受压区高度减小,延性提高;
3)箍筋,约束砼的极限压应变增大,变相提高砼强度,受压区高度减小,延性提高(规范中轴压比在特别箍筋条件下适当放松,即是此方面的考虑);
4)纵向钢筋,高强度钢筋à屈服强度高à屈服应变大à屈服曲率提高à截
面延性降低,配置受压钢筋à受压区高度降低à截面延性提高,提高配筋率à变相降低轴压比(提高轴压承载力);
5)截面形状,规则截面(圆形、方形及矩形)破坏流动性低,方向性明确,较不规则截面(异形柱)延性好。
对于压弯构件(墙、柱与斜撑等),如上述配筋率的描述,配筋率左右着轴压承载力,随着轴压承载力的提高,构件的塑性变形长度变大,因此截面延性提高。
但是,结构工程师需要充分认识到,配筋率不是提高竖向构件延性的首要因素,即配筋率的功效比较低。对于受弯构件(梁等),延性随配筋率的提高而降低,但当配置适当充分的受压钢筋,有利于改善高配筋率带来的延性不足,这也是规范弱化受拉钢筋配筋率的缘由。
构件延性表征的是塑性铰的转动能力,由于曲率与位移存在比值关系,因此位移延性与截面曲率延性存在关系式,k 为与构件长度、塑性铰长度相关系数。构件的塑性变形集中于两端的塑性铰区,曲率延性系数应比位移延性系数大(截面延性要求高于构件延性要求),才能保证抗震要求(关系式也传达此信息)。
避免倒塌思路:位移延性系数限值(倒塌临界值)à曲率延性系数à砼极限压应变à采取措施满足。
结构延性通常用顶点位移或层间位移来表达,由于结构延性与构件延性存在藕断丝连的联系,因此结构延性(系数)难直观得出,常借助于静力弹塑性分析近似判断,也就是经常见到的基底剪力-顶点位移曲线。 但上述方法存在很多人为因素:施加水平力的形状(基于第一振型的加载
函数往往低估中间层的地震反应)、极限/屈服位移的定义(一般极限位移可取峰值承载力90%对应的位移,个别或若干构件屈服,不等同于整体或某层屈服,尤其是层概念明确的钢结构),所以,在静力弹塑性分析中,工程师对于结构整体性能的把握更为重要。
规范中关于构件/结构构造的不同规定侧重于不同的延性要求,如材料延性:砼强度最低要求、钢筋强屈比、钢材的屈强比、焊接性及冲击韧性等;
截面延性:梁最小/大配筋率要求(决定着梁的破坏形态:弯曲破坏or 剪切破坏)、截面相对受压区高度限值、柱墙轴压比及纵向钢筋配筋率; 构件延性:柱梁塑性铰区砼的约束程度(箍筋加密要求)、梁柱墙剪跨比(决定着构件破坏模式)、连梁、转换构件;
结构延性:框剪、框筒的(类)0.2V0调整、剪力墙底部加强区、转换层、加强层、错层及嵌固端构造要求(构件延性的提高有利于结构延性的发展,构件延性的要求高于结构延性,如非底部加强部位设置YBZ 、芯筒角部增设型钢、大跨度框架中框架柱采用型钢柱或钢管柱、高跨比较大连梁增设型钢、核心筒钢板剪力墙等,上述措施也往往是超限结构的构造加强措施)。
另外,延性与承载力之间还有个比较有趣的现象:二者具有反向性。结构或构件的延性随着承载力的提高有降低的趋势,可以来个极端比较,分别对某结构进行小/S、中/M及大/L震弹性设计,承载力,位移延性系数 。因此结构工程师要把握好强度与延性的含量比,把握结构的真实内涵,设计出和力而有韧的合理结构。
三、延性设计的重要性
为什么要重视概念设计呢?因为现有的各种计算理论、计算假定、计算模型、计算方法还不够完善,都是近似的。程序不是万能的,程序是有使用条件和适用范围的,程序也会有缺陷(特别是PKPM ),程序计算出来的结果不一定完全准确,不一定都与事实相符,程序计算通过了并非就可以高枕无忧了。对程序计算结果,设计师应根据力学概念和工程经验进行判断,确认合理有效后再实施。不掌握概念设计的精髓,不理解规范的意图,不知道从宏观上控制结构安全,那么很可能出现设计出来的结构在6度时计算可以通过,烈度一增大到7度,结构马上就倒塌了,那是不行的。因为实际地震发生时,它的烈度是不确定的,很有可能大于设防烈度,如果你只能满足设防烈度的要求,说明你的设计不是好的设计。真正好的设计,应该是在设防烈度(弹性)下不坏,大于设防烈度(进入弹塑性)情况下也能最大程度的减小震害。
为什么要重视延性设计呢?因为延性设计是概念设计的一部分,是保证结构在超过设防烈度的地震作用下仍旧有良好的变形能力,通过耗能,减小地震作用的破坏,最大程度的保护生命财产安全。延性设计的目的是控制破坏形态,规范中有很多属于概念设计的延性措施,如强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件。拿强柱弱梁来说,其目的就是让梁先坏来保证柱不坏以防止结构发生整体垮塌。如果设计者不理解规范的意图,通过盲目加大材料用量来解决安全问题,以为结构更安全了,实际上起了反作用,使结构变的更不安全了。
四、结构设计中容易犯的错误
延性包括两个层面:构件延性和结构整体延性。构件延性是结构延性的前提,但只满足构件延性是不够的,满足后者更重要。延性设计的本质是通过构造措施提高结构整体变形能力,通过变形耗能,延长抵抗地震的时间,实现大震不倒的目的。延性设计的关键是通过控制构件破坏顺序(次要构件先坏,弯曲先于剪切破坏)实现控制结构整体破坏形态。因此构件过分强大不一定有益,延性好才更安全。
强震是不可硬抗的,强震时地震力可能是设计值的几十倍甚至上百倍,在强震下没有安全储备,一切构件都是可能破坏的,但我们仍然可以通过控制构件破坏的顺序和结构整体破坏形态达到减少地震伤害的目的,即以柔克刚。这才是延性设计的精髓。
下面以强柱弱梁为例,说明现在设计中普遍容易犯的错误。
" 强柱弱梁" 的实现一定要保证柱的实际抗弯能力大于梁的实际抗弯能力,实际抗弯能力应用实际配筋计算(梁的实配钢筋包括梁的钢筋和相关范围内楼板的钢筋)。这里特别强调“实际”两字,因为现实设计中设计人员往往喜欢放大梁端配筋(有的放大达2倍),实配钢筋远远大于计算配筋,设计师认为这样更安全,实际情况恰恰相反。由于梁配筋增加幅度远大于柱配筋增大幅度,使得梁的实际抗弯能力大大高于柱的抗弯能力,这样在中震情况下,首先是柱而不是梁出现塑性铰,造成结构垮塌。在汶川地震震害调查时,因“强梁弱柱”而引起结构破坏的情况比比皆是,这充分说明目前设计人员对于规范的理解不够透彻,对延性设计的概念不够清晰,迷信程序,盲目放大配筋,造成了严重的后果。这都是血的教训!
也许有人会说,梁端配筋放大是为了满足梁抗裂要求造成的,这又是一种不求甚解、不负责任、偷懒和片面的观点。我们知道,SATWE 计算配筋和裂缝时都是按单筋矩形梁计算的,而工程中实际的梁基本上都是有翼缘的,受压区也是有配筋的。如果计算裂缝时考虑受拉区楼板钢筋参与工作并考虑受压区配筋的贡献,那么绝大多数情况下梁按强度计算结果所配钢筋是满足0.3mm 的抗裂要求的。还有一个事实大家容易忽略,那就是梁的配筋是按弯矩包络图中的最大值计算的,在计算梁的裂缝时应选用正常使用情况下的竖向荷载梁端弯矩标准值计算,不能用极限工况下的柱中心弯矩设计值计算裂缝,而按正常使用工况计算的梁裂缝都是很小的。真的发生地震了,梁端出现裂缝对“强柱弱梁”是有利的,根本没有必要用pkpm 控制裂缝。况且satwe 的计算结果本身有很大富裕量。所以,梁配筋只要满足计算结果就行了,不好选筋时,配筋适当降低一点也是可以的,但千万不要随意放大,放大幅度最大不要超过10%,否则强柱弱梁就无法实现了。
有人会说,裂缝计算通不过,审图公司不同意怎么办?培训老师的建议是,送审时根本就不要送裂缝计算书,实在要送时,就挑选几个重点断面提供手算计算书,手算时可以考虑楼板和受压区钢筋的贡献,这样配筋和裂缝都可以满足规范要求,审图公司就不会有意见了。
补充一条:重要构件和预应力构件建议手工复核一下裂缝。本文不是反对计算裂缝,而是不主张用pkpm 计算裂缝。如果设计师不放心,一定要放大支座负筋,建议柱的钢筋同步放大,否则强柱弱梁很难实现,就会顾此失彼,得不偿失。
下面再举一些配筋增大反而对结构不利的例子:
1. 适筋梁超配筋变成超筋梁,使梁失去了应有的延性
2. 框架梁端超配筋,破坏强柱弱梁的延性构造,地震时容易造成结构倒塌
3. 连梁超配筋,地震时连梁的耗能能力下降,造成墙肢先坏,可能引起结构倒塌
4. 柱子超配筋,可能使大偏压构件变成小偏压构件,柱子丧失延性,在中震时可能提前破坏,使结构倒塌
5. 节点配筋过多过密,使得节点浇筑质量不良,地震时节点先破坏,造成结构倒塌
6. 剪力墙底部加强区,抗弯钢筋配的比非加强区多很多,造成地震时底部没有按希望出现塑性铰,薄弱部位转移到非加强区,或抗剪能力低于抗弯能力,使结构丧失耗能能力,可能提前破坏
7. 底层柱的实际配筋比嵌固层的还大,造成嵌固端先坏,违背了延性设计的初衷。
四、结论
结构主要靠延性来抵抗较大地震作用下的非弹性变形,延性设计是概念设计的一部分,是保证结构在超过设防烈度的地震作用下仍旧有良好的变形能力,通过耗能,减小地震作用的破坏,最大程度的保护生命财产安全。增强结构延性是提高建筑抗震性能的重要措施,所以地震区的建筑结构应设计成延性结构。
为什么历次大震中,配了钢筋的房子倒塌的很多,而没有配筋的树木倒塌或折断的却很少见呢?(地质滑坡和被建筑物压断的不算)这对于我
们有什么启发呢?
超配筋都是人为原因造成的,后果很严重,须引起设计人员足够重视。 通过深入领会规范精神和编制意图,合理判断和修正计算结果,从而避免配筋增大反而对结构不利。
参考文献
参考文献:
李国胜 《混凝土结构设计禁忌及实例》 北京:建筑工业出版社2006
朱炳寅 《建筑结构设计规范应用图解手册》北京:建筑工业出版社2006
《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010
《建筑结构荷载规范》GB50009-2012
《建筑抗震设计规范》GB50011-2010
《混凝土结构设计规范》GB50010-2010
范文四:钢筋混凝土结构构件的延性设计
钢筋混凝土结构构件的延性设计
摘要:钢筋混凝土结构的各类构件应具有必要的强度和刚度, 并具有良好的延性性能, 避免构件的脆性破坏, 从而导致主体结构受力不合理, 地震时出现过早破坏。因此, 可以采取措施, 做好延性设计, 防止构件在地震作用下提前破坏, 并避免结构体系出现不应有的破坏。
关键词:钢筋混凝土结构 构件 延性设计
1 前言
在现代房屋结构设计中, 延性研究越来越显得重要, 钢筋混凝土结构延性的研究是塑性设计方法和抗震设计理论发展的基础。所谓延性是指材料、构件和结构在荷载作用下, 进入非线性状态后在承载能力没有显著降低情况下的变形能力。描写延性常用的变量有:材料的韧性, 截面的曲率延性系数, 构件或结构的位移延性系数, 塑性铰转角能力, 滞回曲线, 耗能能力等。试验和非线性计算分析表明:构件的结构的破坏由受拉钢筋引起的, 常表现出良好的延性, 如适筋梁、大偏心受压柱等; 而破坏由混凝土拉断、剪坏和压溃控制的常表现为脆性, 如素混凝土板、超尽梁、地震作用下剪切破坏的短柱等。
对于建筑结构系统来说, 一方面, 钢筋混凝土构件的功能依赖于整体结构系统功能, 任何构件一旦离开整体结构, 就不再具有它在结构系统中所能发挥的功能; 另一方面, 构件又影响整体结构系统的功能, 任何构件一旦离开整体结构, 整体结构丧失的功能不等于该构件在结构系统中所发挥的功能, 可能更大, 也可能更小。在地震作用下, 有可能由于部分构件的破坏乃至退出工作, 整个结构体系会因此破坏, 这里的部分构件包括了结构构件以及非结构构件。
在地震作用下, 混凝土结构或构件的破坏可分为脆性破坏和延性破坏两种, 其中脆性破坏的危害时非常大的, 设计上是一定要避免的, 而延性破坏时指构件承载力没有显著降低的情况下, 经历很大的非线性变形后所发生的破坏, 在破坏前能给人以警示。钢筋混凝土结构的各类构件应具有必要的强度和刚度, 并具有良好的延性性能, 避免构件的脆性破坏, 从而导致主体结构受力不合理, 地震时出现过早破坏。因此, 可以采取措施, 做好延性设计, 防止构件在地震作用下提前破坏, 并避免结构体系出现不应有的破坏。
2 延性设计的重要性
范文五:钢筋混凝土结构中的延性措施
钢筋混凝土结构中的延性措施
摘要:本文总结了混凝土结构中几种较为成熟有效的提高构件延性的构造措施,并对其设计方法进行了简要介绍。在钢筋混凝土结构设计中,为设计师解决结构中对延性有特殊要求的构件设计提供参考。
关键字:构件延性;构造措施
1 延性设计引论
在地震作用的整个过程中,构件和结构承载力无明显降低的非线性反应特性即为延性。延性结构设计是利用结构中特定位置形成塑性变形来耗散地震能量,达到保护其它构件和结构整体的目的。利用结构的延性进行钢筋混凝土房屋的抗震设计是一种经济合理的方法。我国《建筑抗震设计规范》根据不同抗震等级规定不同抗震措施,抗震等级的划分反映了不同延性水平的要求。
但实际工程中,所遇到的问题各种各样,有时很难使所有构件都达到理想中的延性性能。对于特殊位置的构件,要实现规范的相应要求,不得不加大构件截面、增加配筋及提高承载力。但片面的增大截面可能会带来不利的影响。如柱的轴压比较大时,若想使其达到规范要求限值,加大截面最为直接,但柱截面加大可能使其在该层内形成短柱,又恰恰使其延性降低,诸如此类的问题并不少见。
影响构件延性的因素很多,实际并非仅仅是规范所规定的内容,这说明可以采取其它的构造措施也同样可以实现构件的延性要求。本文将常见的几种延性构造措施及相关的设计方法加以搜集汇总,以期借鉴选用。
2 构件延性构造
2.1 框架柱的延性构造
2.1.1减小轴压比[1] [3]
《建筑抗震设计规范》中规定了抗震等级为一、二、三级的框架柱的轴压比限值,对于框架结构分别为:0.65、0.75、0.85。对于框剪结构、框筒结构其限值有所不同,主要是考虑了剪力墙在地震作用下分担了较多的剪力,使得框架柱的剪应力水平得以降低,因此放松了对于其延性的构造要求。当然,对于框支剪力墙结构的框支柱,因其对于延性的需求更大,所以轴压比限值又有所降低,体现了对于框支柱高延性的构造要求。因此,为了提高框架柱的延性性能,尤其是首层柱根位置,在条件允许的情况下可以尽量使用强度等级较高的混凝土材料,也可以在满足剪跨比大于2的前提下,增加柱截面以减小轴压比。
2.1.2增大体积配箍率