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摘要:地震中結(jié)構(gòu)進(jìn)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(qiáng)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(qiáng)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(dá)到最大承載力或達(dá)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(dá)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(jìn)入屈服狀態(tài),形成塑性鉸,這時結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jìn)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(qiáng)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(rèn)識水平,要準(zhǔn)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(yán)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(qiáng)度、適當(dāng)?shù)膭偠?、良好的延性和可靠的連接,并應(yīng)重視強(qiáng)度、剛度和延性的合理均衡。但強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度,認(rèn)為強(qiáng)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(qiáng)度較高的構(gòu)件或結(jié)構(gòu)給人以安全的假象,實際在強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(jī)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)牡卣鹉芰浚瑥亩S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(qiáng)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(qiáng)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(rèn)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(qiáng)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(hù)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(qiáng)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?,在出現(xiàn)塑性鉸時就會形成幾何可變的“機(jī)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(jì)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?zhǔn)的抗震設(shè)防目標(biāo),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(jì)的完美結(jié)合。
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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