建筑抗震設(shè)計中的延性設(shè)計

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摘要:地震中結(jié)構(gòu)進入彈塑性狀態(tài)后，只能依靠變形吸收能量以維持結(jié)構(gòu)“安全”，所以，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的根本驗算應(yīng)是強震作用下結(jié)構(gòu)的變形驗算，因此從某種意義上說，結(jié)構(gòu)抗震的本質(zhì)就是延性。一個結(jié)構(gòu)具有較大延性或較高耗能能力的話，即使承載力較低，也能夠吸收較多能量，抗御較強地震而不會倒塌。

關(guān)鍵詞:塑性鉸；吸能耗能；變形能力；結(jié)構(gòu)延性

結(jié)構(gòu)、構(gòu)件或截面的延性是指從屈服開始至達到最大承載力或達到以后而承載力還沒有顯著下降期間的變形能力，也就是說，延性是反映結(jié)構(gòu)、構(gòu)件或截面的后期非彈性變形能力，變形能力是指結(jié)構(gòu)、構(gòu)件或截面達到最大破壞狀態(tài)時的最大變形，而變形能力是結(jié)構(gòu)吸能和耗能能力的外在表現(xiàn)，所以延性的本質(zhì)是吸能和耗能。結(jié)構(gòu)所吸收的地震能量，等于結(jié)構(gòu)承載力與變形能力的乘積，也就是說結(jié)構(gòu)抗震能力是由承載力和變形能力兩者共同決定的。

在中等地震作用下，允許結(jié)構(gòu)某些部位進入屈服狀態(tài)，形成塑性鉸，這時結(jié)構(gòu)進入彈塑性狀態(tài)。在這個階段結(jié)構(gòu)剛度降低，地震慣性力不會很大，但結(jié)構(gòu)變形加大，結(jié)構(gòu)是通過塑性變形來耗散地震能量的。具有上述性能的結(jié)構(gòu)，稱為延性結(jié)構(gòu)。地震中結(jié)構(gòu)進入彈塑性狀態(tài)后，只能依靠變形吸收能量以維持結(jié)構(gòu)“安全”，所以，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的根本驗算應(yīng)是強震作用下結(jié)構(gòu)的變形驗算，因此從某種意義上說，結(jié)構(gòu)抗震的本質(zhì)就是延性。

以我們當(dāng)前對地震的認識水平，要準確預(yù)測結(jié)構(gòu)物與地基在未來地震作用下的抗震能力，尚難以做到。因此，結(jié)構(gòu)的抗震能力應(yīng)著眼于結(jié)構(gòu)物與地基整體抗震能力的概念設(shè)計，再輔以必要的計算分析和構(gòu)造措施，從根本上消除結(jié)構(gòu)物與地基中的抗震薄弱環(huán)節(jié)，才有可能使設(shè)計出的結(jié)構(gòu)具有足夠的抗震可靠度。

結(jié)構(gòu)體系的抗震能力綜合表現(xiàn)在強度、剛度、和延性三者的統(tǒng)一，即抗震結(jié)構(gòu)體系應(yīng)具有必要的強度和良好的變形能力，如果抗震結(jié)構(gòu)體系有較高的抗側(cè)強度，但同時缺乏足夠的延性，這樣的結(jié)構(gòu)在大震作用下很容易破壞。例如不配筋又無鋼筋混凝土構(gòu)造柱的的砌體結(jié)構(gòu)，其抗震性能較差。另一方面，如果結(jié)構(gòu)有較大的延性，但抗側(cè)力的能力不足，這樣的結(jié)構(gòu)在大震作用下，必然產(chǎn)生較大的變形，如純框架結(jié)構(gòu)，其抗震性能依然較差，震害調(diào)查表明，在歷次地震中，鋼筋混凝土純框架破壞嚴重，甚至倒塌者屢見不鮮。

結(jié)構(gòu)體系是由各類構(gòu)件連接而成的，各個構(gòu)件的抗震能力是結(jié)構(gòu)體系抗震能力的前提，抗震結(jié)構(gòu)的構(gòu)件應(yīng)具備必要的強度、適當(dāng)?shù)膭偠取⒘己玫难有院涂煽康倪B接，并應(yīng)重視強度、剛度和延性的合理均衡。但強度、剛度和延性三者之間并不是相互獨立的，結(jié)構(gòu)體系的抗震能力是強度、剛度和延性三者的矛盾統(tǒng)一。構(gòu)件剛度太大，會降低結(jié)構(gòu)的延性，同時自振周期變短，增大地震作用，地震作用增大的同時則要求結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件具有較高的承載力，而較高的承載力往往以提高造價和降低結(jié)構(gòu)變形能力為代價;構(gòu)件剛度過小，在地震作用下，結(jié)構(gòu)變形過大，會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞甚至整體倒塌。必要的強度、剛度和延性三者缺一不可，但其中延性的設(shè)計尤為突出，是做到大震不倒的關(guān)鍵所在。但在實際工作中，結(jié)構(gòu)工程師往往只注重結(jié)構(gòu)的強度，認為強度高的構(gòu)件或結(jié)構(gòu)必然是安全的，而忽視了對延性的設(shè)計，這種強度較高的構(gòu)件或結(jié)構(gòu)給人以安全的假象，實際在強震作用下因為缺乏足夠延性而存在較大的安全隱患。

延性的設(shè)計主要依靠合理的抗震措施，如砌體結(jié)構(gòu)，具有較大的剛度和一定的強度，但延性較差，若在砌體中設(shè)置圈梁和構(gòu)造柱，將墻體橫豎相箍，起到骨架作用，則可以大大提高變形能力。又如較長的鋼筋混凝土抗震墻，剛度大強度高，但延性不足，若在抗震墻中用弱連梁把墻體劃分為若干并列墻段，則可以大大改善墻體的變形能力，做到強度、剛度和延性的合理分配。

延性的本質(zhì)是吸能和耗能，結(jié)構(gòu)的吸能和耗能能力，主要依靠結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在預(yù)定部位產(chǎn)生塑性鉸，即結(jié)構(gòu)可承受反復(fù)的塑性變形而不倒塌，仍具有一定的承載能力，預(yù)定部位是指在該位置塑性鉸的形成不會危機整個結(jié)構(gòu)的安全。

為了提高結(jié)構(gòu)的延性，在設(shè)計中應(yīng)采取以下的概念設(shè)計:(1)利用結(jié)構(gòu)各部分的聯(lián)系構(gòu)件或非主要承重構(gòu)件形成“耗能元件”。在對這種“耗能元件”合理設(shè)計后，可使整個結(jié)構(gòu)在預(yù)估的罕遇地震下產(chǎn)生可以承受的破壞，并消耗相當(dāng)?shù)牡卣鹉芰?，從而維持了整個結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定和繼續(xù)承受荷載的能力。如設(shè)有連梁的并聯(lián)抗震墻，連梁即可設(shè)計成很好的耗能元件，以使罕遇地震作用下連梁先出現(xiàn)塑性鉸;又如框架結(jié)構(gòu)的填充墻，經(jīng)合理設(shè)計后可增加結(jié)構(gòu)的強度和剛度，同時在地震反復(fù)作用下填充墻產(chǎn)生裂縫，可以大量吸收和耗散地震能量，起到耗能元件作用，即同時增大了結(jié)構(gòu)的延性，因為填充墻同時影響到結(jié)構(gòu)的強度、剛度和延性，所以結(jié)構(gòu)設(shè)計師應(yīng)提高對填充墻的設(shè)計認識，而不僅僅是作為結(jié)構(gòu)上的荷載來處理。

(2)將塑性鉸控制在一系列有利部位，把能量耗散在整個結(jié)構(gòu)的平面和剛度上。為使結(jié)構(gòu)在強震下出現(xiàn)塑性鉸以吸能和耗能，必須在設(shè)計時有意識地在一些構(gòu)件中采取特殊的構(gòu)造措施，使塑性變形集中在一些潛在的屈服區(qū)，使結(jié)構(gòu)具有更有利的塑性重分布能力，使這些并不危險的部位首先形成塑性鉸或發(fā)生可以修復(fù)的破壞，從而保護主要承重體系。否則塑性鉸的出現(xiàn)可能使結(jié)構(gòu)過早倒塌。如在鋼筋混凝土框架設(shè)計中要求“強柱弱梁”的原則，其目的就在于使框架結(jié)構(gòu)的塑性鉸先出現(xiàn)在各梁端而不是柱端。(3)要求結(jié)構(gòu)具有盡可能多的贅余度。若結(jié)構(gòu)沒有適當(dāng)?shù)馁樣喽龋诔霈F(xiàn)塑性鉸時就會形成幾何可變的“機構(gòu)”，失去承載能力而倒塌。一般來說，超靜定次數(shù)越高，對抗震越有利，但這不是充分條件，主要與形成屈服區(qū)和塑性鉸的部位直接相關(guān)。如在框架或框架剪力墻體系中，當(dāng)框架梁端或連梁端部出現(xiàn)塑性鉸時，均不至于導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)的破壞。因此，抗震設(shè)計中的一個重要原則是結(jié)構(gòu)應(yīng)具有較好的贅余度和內(nèi)力重分布的功能，即使部分構(gòu)件退出工作，其余構(gòu)件仍能承但地震作用和相應(yīng)的豎向荷載，避免整體結(jié)構(gòu)的連續(xù)垮塌。

應(yīng)當(dāng)看到，盡管延性設(shè)計在經(jīng)濟上有很大的優(yōu)越之處，但這些優(yōu)越總是以結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定程度的損傷為代價，這是在設(shè)計延性抗震結(jié)構(gòu)時必須預(yù)先了解到的，但考慮到只要能實現(xiàn)我們?nèi)疁实目拐鹪O(shè)防目標，即保證“小震不壞”、“中震可修”、“大震不倒”，我們的抗震設(shè)計就是成功的，出現(xiàn)損傷是完全可以接受的。

總之，地震從能量觀點看，就是地下能量的釋放，建筑結(jié)構(gòu)所受的地震作用實際上就是一種能量的傳遞，在接受到地下能量的同時，如何吸收和消耗這些能量就成為抗震設(shè)計的本質(zhì)內(nèi)容，即是延性設(shè)計。從鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計的基本原則，到結(jié)構(gòu)抗震承載力和變形驗算以及抗震措施的制定，都是為了保證結(jié)構(gòu)或構(gòu)件延性，因此只有把握了抗震設(shè)計的本質(zhì)問題，才能真正設(shè)計出具有較好抗震性能的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)安全與經(jīng)濟的完美結(jié)合。

參考文獻

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作者：郭喜斌 單位：太原理工大學(xué)建筑設(shè)計研究院