1、1关于房屋抗震混凝土结构延性设计的探讨摘要：通常，经济的抗震结构设计应着眼于提供适当的动力特性及结构特性，使得设计地震下的反应水平是可接受的。不同的结构类型或者功能，其最大可接受的变形值也不同。本文通过个人的多年工作经验及相关资料探讨抗震结构延性设计。 关键词：地震抗震延性设计方案 Abstract: Usually, the anti-seismic structure design economy should focus on providing dynamic properties and structure characteristics of appropriate; the re
2、action level design under earthquake is acceptable. Type of structure or function of different deformation, the maximum acceptable value is different. Key words: earthquake; seismic ductility design; scheme; 中图分类号：TU352.1+1 文献标识码：A 文章编号： 1 前言 在地震作用下，结构在真正失效前，有一个较大的塑性变形能力（结构延性） ，即结构在一个较小的地震下可能达到或者接近屈
3、服状态；而在较大的地震下，结构的若干部位将陆续进入屈服后的非弹性变形状2态，并且随着地震力的增大，结构中进入弹塑性变形的部位增多，先进入屈服的部位弹塑性变形也增大。结构通过这种变形耗散较多的地震传来的能量，将其转换成热能。 在某些结构中，如细长独立的塔楼、烟囱，或者由居中布置的核心筒和由此往外悬挑楼板组成的悬挑式建筑，这些结构的稳定性，取决于组成此结构的单个主要构件的刚度和整体性。在这些实例中，主要构件不允许屈服，设计应在弹性反应的基础上进行。然而，对于大部分建筑物，特别是那些由刚性连接框架构件及其他多次超静定结构组成的建筑物，比较经济的做法是，允许一些临界应力构件在中-强震下发生屈服。就是说
4、建筑物应按比保证线性弹性反应要求明显低的的力进行设计。分析和经验表明，拥有足够结构冗余度的结构，即使允许某些构件发生屈服，仍可以设计成能安全地经受强烈的地面运动。由于允许按此降低力的水平设计的结构在强震下发生非弹性变形，于是提出了附加要求，即需要保证屈服构件能够在不明显降低强度的同时，承受足够的非弹性变形。就是说，它们必须拥有足够的延性。这样，当结构的强度（或者屈服强度）小于为保证线弹性反应所需的强度时，应使其有充分的延性。 2 延性与屈服强度 对相同的初始基本周期 T1 一般观测结果说明，在给定的地震强度和结构周期的条件下，延性需求随结构的强度或者屈服水平的降低而提高。故一般水平或强度的增加
5、而减少，为阐明此观点，考虑两个初始基本周期相同的垂直悬臂墙。这表示在相同质量及质量分布下其刚度属性相同，如图 10-2 所示（横坐标：转角，纵坐标：屈服水平） 。 3图 10-2 延性比需求随结构的屈服图 10-3 屈服水平对延性需求的影响 其中，两个结构的理想力-变形曲线分别标记为（1）和（2）分析表明，在相同的输入运动作用下，具有相同基本周期及适当性质的结构，其最大水平位移大致相同。这种现象很大程度上是归咎于局部加速度的减小，伴随着因结构临界应力部分的屈服使刚度减小，所以位移变小。由于在垂直悬臂中，基础的转动很大程度上决定了基础上部各点的位移，对于墙水平或强度的增加而减少底部成铰区的最大转
6、动，同样可以观测到大致相等的最大水平位移。可以从图 10-3（(a)图：横坐标：水平位移；纵坐标：楼层；中上：弹性。(b)图：横坐标：转动延性；纵坐标：楼层）看到，该图表示具有同样基本周期（T1=1.4 秒） ，但不同屈服水平 My 独立结构墙的动力分析结果。该结构是在 1940 年 El Centro 地震波前 10秒东西向分量作用下，其强度为该地震波规定的南北向分量的 1.5 倍。如图 10-3a 所示，除了结构屈服水平很低的情况外，不同结构的最大位移基本相同。图 10-3 表示其相应的延性要求，用最大位移角 max 与第一次屈服位移角 y 之比表示。图中清楚地显示了延性需求随屈服水平的降
7、低而增加。图（10-4）为独立结构墙基础的转动延性需求与挠曲屈服水平及初始基本周期的关系曲线。图中结果是由 20 层独立结构墙模型在地震运动作用下的动力非线性分析取得的，共输入 6 个不同频率特性的地震波，每次持续 10 秒，强度为 1940 年 El Centro 记录地震波规定的南北向分量的 1.5 倍。同样表明，延性需求随着屈服水平降低而增加；4同样，延性需求随着结构基本周期增长而降低。上述强度或屈服水平与延性间的关系，是规范条款对延性较低的材料或者体系提出更高的强度要求（通过指定更大的设计水平荷载）的基础。 图 10-4 转动延性的需求图 10-5 转动延性与作为度量非线性变形的最大绝
8、对转动的关系图 3 悬臂墙最近研究结果 在最近一项由 Priestley 和 Kowalsky 所作的关于独立悬臂墙的研究中表明，屈服曲率与屈服力矩没有直接的比例关系；这与图 10-2 所示大不相同，在他们看来会造成重大错误。事实上，他们已经证明，在给定的钢材屈服应力下，屈服曲率仅仅是的墙长度的函数。当截面强度随抗弯钢筋的数量或轴向荷载等级的变化而变化时，墙的强度和刚度也成比例地变化。这意味着不是截面刚度，而是屈服曲率应作为基本的截面特性。由于墙的屈服曲率同墙长成反比，所以结构中长度不同的墙体不能设计成同时屈服。另外，设计的墙应与其长度的平方 L2 成比例，而非当前设计假定的 L3。 应注意的
9、是，以上发现只适用于悬臂墙。 4 延性设计方案 对于“设计地震力延性”联合法则，我们可以一方面设计低地震力的结构，通过更大的非弹性变形耗散掉更多的地震能量；另一方面结构非弹性变形越大，刚度降低越严重，阻尼增大，周期增高，设计地震力的结构增长越多，结构受到的总地震力降低也越多。这就使得我们在5设计过程中，在不降低构件竖向承载力保证结构延性的前提下，可以取用一个小于设防烈度地震反应水准作为设计中取用的地震作用。反过来讲，若采用的设计地震力越低，结构屈服部位在屈服后水平和竖向承载力不降低的前提下需要达到的非弹性变形就越大，也就需要结构有更好的延性性能。 将设防烈度地震加速度通过地震力降低系数 R（中
10、，美等国）或结构性能系数 q（欧共体，新西兰等）折减为结构设计加速度，相当于赋予结构一个较小的屈服承载力，结构在竖向承载力不降低的情况下，通过屈服后的非弹性变形来经受更大的地震，实现“大震不倒”的目标。因而，采用低设计地震力的关键在于保证结构及构件在大震下达到所需的延性。对于地震力降低系数 R 或结构性能系数 q，各国设计规范存在略为不同的处理手法，不过总体而言 R 或 q 均为设防烈度地震作用与结构截面设计所用的地震作用的比值。 R 或 q 越大，则要求结构达到的延性能力越大，R 或 q 越小，则结构需要达到的延性能力越小。这样均能实现“大震不倒”。 国外一般有如下三种设计方案：（1）较高地
11、震力较低延性方案；（2）中等地震力中等延性方案；（3）较低地震力较高延性方案。 高地震力方案主要保证结构的承载力，低地震力方案主要保证结构的延性。实际震害表明，这三种方案，从抗震效果和经济性来看，都能达到设防目标。我国的抗震设计采用的是方案（3）即较低地震力较高延性方案，即采用明显小于设防烈度的小震地面运动加速度来确定结6构的设计地震作用，并将它与其他荷载内力进行组合，进行截面设计，通过钢筋混凝土结构在屈服后的地震反应过程中形成较为有利的耗能机构，使结构主要的耗能部位具有良的屈服后变形能力好来实现“大震不倒”的目标。当然，我们还要看到一点，虽然这三个方案都能保证“大震不倒” ，但是在改善结构在中小地震下的性态方面，方案（3）仅仅提高结构的延性水平而结构的屈服水准并没有明显提高是明显不如方案（1）和（2）的。也就是说，在保证“小震不坏，中震可修”方面，方案（1）和（2）是优于方案（3）的。
