建筑结构基于抗震对混凝土构件的延性研究

(西华大学土木工程与建筑学院 四川 成都 630001)

引言

结构的抗震性能指标主要有周期、承载力、延性、累积滞回耗能。结构周期决定了弹性地震作用的大小，当结构承载力小于地震力则会导致结构在地震作用下进入非弹性阶段而产生损伤，而延性和累积滞回耗能的大小反映了结构损伤程度[1]。

近年来，结构延性设计[2-4]是建筑结构设计时的重点，由于地震作用的不确定性和复杂性，结构计算模型与实际承载受力情况存在差异，目前难以确切地模拟地震作用。因此，抗震设计在很大程度上只是一种近似的估算，通过概念设计和抗震构造措施来实现结构和构件的延性要求。本文针对了现行发展状况，对混凝土构件进行了一些延性分析，综合国内外研究情况提出改进延性的具体措施。

一、延性的定义

延性是指结构破坏之前，在承载力无显著下降的条件下，经受非弹性变形的能力。延性主要有3种：曲率延性、塑性铰转角延性和位移延性。一般构件的抗震性能多用位移延性来表征[5]。

结构在地震作用下进入塑性后的破坏指标，无论变形和能量都很难求得[6]。由于地震动是完全随机事件，事先无法预知其在未来地震动作用下将要经历的反复变形循环情况，故结构在地震动作用下的滞回延性指标无法精确确定。实际运用中一般采用静力延性指标或由周期反复荷载试验得到滞回延性指标近似替代[7]。用位移延性系数来描述，其值为结构极限位移和屈服位移之比。

二、连梁的延性分析

在剪力墙结构中，连接墙肢的梁称为连梁，它是剪力墙结构中的重要构件，而且是墙肢之间传递地震力的纽带。在遭受强烈地震时，具有较高承载力、刚度和良好变形性能的连梁能够作为剪力墙结构抵抗地震作用力的第一道防线，可以在墙肢屈服之前屈服，发挥其塑性变形能力，耗散较多的地震能量，减轻主体结构的破坏程度。由此可见，连梁的延性对整个剪力墙结构的抗震性能起着至关重要的作用。

文献[8]设计了不同跨高比的钢纤维混凝土连梁进行低周反复荷载试验研究，可以得出构件的位移延性系数随跨高比的不同呈现明显的变化，当跨高比从1.0增加到1.5、2.0、2.5、3.0和3.5时，延性系数分别提高了52%、57%、74%、192%和133%。当跨高比为1.0和1.5时，构件破坏形态为斜拉破坏，其延性系数比较低；当跨高比为2.0和2.5时，延性系数有所增大，增大幅度不明显；但当跨高比为3.0时，延性系数显著增大且达到最大；当跨高比为3.5时，延性系数略有降低。随着跨高比的增大，每一个循环的滞回环斜率逐渐增大，滞回曲线愈加饱满，滞回环面积逐渐增大，极限位移和残余变形明显增大。

三、钢筋混凝土柱的延性分析

框架柱的抗震设计必须从计算和构造两方面采取措施，做到“强柱”。这样框架柱在地震作用下尽量不出现塑性铰或不致过早屈服，即使发生塑性铰，也要充分利用约束混凝土的构造和对压应力剪应力的限制使框架柱的压、弯、剪不致过早退化。

收集了63个高强混凝土柱的试验数据，逐次分析了轴压比、配箍特征值、纵筋配筋率、保护层厚度、剪跨比与延性指标的关系[9]。文献[10]讨论了轴压比对钢筋混凝土柱的延性影响。文献[11]指出，影响压弯构件延性的主要因素包括轴压比、配筋率、混凝土强度、剪跨比、纵筋、保护层厚度、加载速度。文献[12]通过在周期反复荷载作用下高强混凝土柱的受力性能试验，考虑多种因素对柱延性影响，提出了在不同轴压比下的抗震最小配箍特征值。文献[13]建议将混凝土强度、箍筋体积配筋率及箍筋强度综合考虑，利用高强混凝土的配箍特征值分析。

四、钢筋混凝土抗震墙的延性分析

钢筋混凝土剪力墙一直是广大学者的研究对象[14-16]，为了提高剪力墙的延性和变形能力，剪力墙端部往往被设计成暗柱或者端柱，在端部配置箍筋来约束混凝土，提高端部混凝土的极限应变能力，从而使其具有更好的延性和变形性能，OH[17]、Kuang[18]以及Dazio[19]的试验均表明了这一点。

各个国家的混凝土规范对于剪力墙端部箍筋均有相应的规定，但设计方法不完全相同。我国规范的方法是间接的延性设计法，而且形式简单，设计方便，但不足之处是延性不能定量化，也无从知晓用现行设计方法的剪力墙能达到多大的延性和位移指标。

美国从ACI318-99开始到现行ACI318-11[20]，剪力墙端部箍筋设计采用了由Wallace等人[21]提出的基于位移设计法。新西兰规范从NZ3101-1982到3101-2006[22]一直采用根据Paulay和Priestley[23]提出的基于延性的端部箍筋设计法，根据不同延性要求判断是否需要在端部设置箍筋以及箍筋量的大小。美国和新西兰的设计方法定量化，设计也较为简单，但其方法均假设混凝土压溃的破坏，然而剪力墙的受弯破坏还可以是钢筋拉断，并且此时位移和延性将很小，因此其方法也存在一定问题。

五、结论

(1)随着跨高比的增大，位移延性系数呈现不同程度的增大。(2)跨高比为3.0时，混凝土连梁的延性性能达到最好。(3)轴压比对构件的延性有显著影响。轴压比增大后，混凝土构件的延性下降。(4)随着配箍特征值的增大，位移延性系数呈现递增的性质。(5)随着保护层厚度占比增大，位移延性系数呈现递减的性质。(6)随着纵筋配筋率的增大，位移延性系数呈现递增的性质。(7)随着剪跨比的增大(>6)，位移延性系数几乎无变化。