1、1延性在地震区房屋结构设计中的运用分析摘要：保证结构的延性是提高建筑抗震性能的重要措施，在地震区的结构都应设计成延性结构。本文探讨了延性的提出过程、总结了延性的定义。分析了如何在设计中合理考虑砌体结构和钢筋混凝土结构的延性。并建议多通过结构的一些概念设计来保障结构的延性。 关键词：抗震设计；延性；概念设计 中图分类号： S611 文献标识码： A 文章编号： 1 延性的提出 1961 年，美国波特兰水泥协会(PCA)制定的多层钢筋混凝土建筑抗震设计手册中，引入了延性和延性系数的概念。后来，以纽马克为首的研究人员提出用延性的概念来表示结构和构件超过弹性阶段的抗震能力。他们认为强度、刚度、延性是工
2、程抗震设计的三要素。 延性的提出还跟人们对地震不断深入地理解有关。最初，人们认为对于工程抗震来说地震是一种力。但后来人们发现地震带给结构的作用主要是使结构发生变形和耗能。所以，与其说地震是一种力，不如说地震是一种作用一通常称为地震作用。经过了几次大的地震以后，发现光有好的强度和刚度也不能保证结构在地震中的安全，结构在非弹性变形的积累过程中维持结构的初始强度的能力也很重要。所以，在以后的 40多年里(至今)，延性引起了几乎所有的工程抗震设计人员的兴趣。现行2各国普遍采用的概念设计和能力设计的这两种抗震设计方法都与延。性密切相关。 2 延性的定义 延性是指结构、构件、材料在初始强度没有明显下降的情
3、况下的非弹性变形(或反复弹塑性变形)的能力。延性反应了结构承受极大变形的能力和耗能的能力。耗能的能力主要体现在利用滞回特性吸收能量。 所有的力一变形曲线，有两类典型的性状：一类曲线有明显的尖峰，达到最大承载力后急剧下跌：另一类曲线在达到最大承载力的前后有可观的平台，即能够承受很大的变形和耗能，而强度没有明显降低。前者一般称脆性，后者称延性。 通常我们考虑延性时要考虑四个方面的延性，他们是材料的延性、截面的延性、构件的延性、结构体系的延性。 (1)材料的延性材料的延性通常由材料的应力一应变曲线来体现，如混凝土的受压、受拉曲线，钢筋的拉伸曲线，钢筋和混凝土的粘结一滑移曲线。在发生较大的非弹性变形时
4、强度仍没有明显下降的材料称为延性材料。一般说来砌体、素混凝土属于脆性材料，钢材属于延性材料，钢筋混凝土介于两者之间。 (2)构件截面的延性构件截面的延性在受弯构件中通常由受弯构件的弯矩一曲率曲线来体现：在受扭构件中通常由受扭构件的扭矩一扭转角曲线来体现。 3(3)构件的延性梁的延性通常用梁的荷载一跨中挠度、荷载一支座转角曲线来体现，柱的延性通常用柱的轴力一变形曲线、轴力一中点侧向位移曲线(编心柱)来体现。构件的延性通常又称为局部的延性。延性好的梁柱构件通常在有较大的非弹性变形时，其承载力不会有明显下降。 (4)结构体系的延性结构体系的延性通常由水平荷载顶层水平位移，水平荷载一层间位移曲线来体现
5、。结构体系的延性通常又称为整体的延性。 这四种延性不是孤立的，是息息相关的。一般说来，好的延性材料易做出好的延性构件，好的延性构件又易形成好的延性结构体系。举个例子来说，如钢材是一种好的延性材料，我们可以用钢材做出延性好的钢梁和钢柱，我们又可以利用这些钢梁和钢柱建成延性好的钢框架结构。但这也不是绝对的，例如我们在一个结构体系中大量的使用了延性好的材料，如钢材，但是我们设计的钢柱、钢梁的截面不合理，我们就不会得到好的延性构件。既便我们有了大量好的延性构件，如果我们没有注意结构整体的屈服机制，我们也不会得到好的延性体系。这就会影响房屋抗震设计的设计质量。 3 延性与砌体结构设计 1976 年，中国
6、发生了震级为里氏 7.8 级的唐山大地震。在这次大地震中，市区大部分为地震烈度高达 11 度的极震区，民用建筑几乎全部倒塌，90的工业建筑被毁。唐山市区震前共有多层砖石房屋 1187 幢，其4中 771 全毁，162 幢部分倒塌，倒塌率为 78.6，破坏率为 97.2，基本完好的不到 3。经过唐山大地震的惨重教训，人们深刻感受到需要为砌体结构找到一条在遭遇到强烈地震时能够防止突然倒塌的可靠途径，这就促使我们要解决一个问题一如何改善砌体结构的延性。 这里主要讲有代表性的几种砌体结构如何改善其延性。 (1)脆性砌体结构 脆性砌体结构是原来我们通常认为的砌体结构，如砖石结构、无筋砌块结构等。在现代砌
7、体结构中，主要是利用一些延性好的材料如钢丝网、钢薄板、纤维(如碳纤维、玻璃纤维等)与砌体形成一种混和结构以改善原用结构的延性或者直接对砌体施加预应力以改善其延性(英国在这方面作了许多研究工作)。 (2)墙一构造柱组合结构 在唐山大地震中，人们发现在砌体结构中加上构造柱以后，能够提高砌体结构的大震下的弹塑性变形性能，也就是说构造柱在一定的程度下可以提高砌体结构的延性。在中美、南美、东欧和中国经常采用在砌体结构中加圈梁和构造柱以在砌体周围形成一个弱型框架体系，用以增加结构的整体延性。 国立墨西哥大学工学院梅利(R.Meli)等人，用足尺的单片砖墙作单向和循环交替侧向力作用下的静力试验，试验证明：即
8、使砖墙配筋很少，也能改变砖墙的脆性而使其具有较大的延性。前苏联中央建筑科学院用钢筋混凝土构造柱进行了砌体结构的抗震加固的试验，试验表明当墙体垂直压力加大，可提高墙体的初裂荷载和破坏荷载，但同时墙体的5脆性也随之增加(这有点类似于钢筋混凝土结构的柱子的轴压比，随着柱子轴压比的增大柱子的延性会降低，而其脆性会增加)，在相同的垂直压力下，提高砌体的砂浆强度等级，也可增强墙体的初裂荷载和破坏荷载，但同样使结构的脆性增大，罗马尼亚建研院的试验得出的结论是：设置钢筋混凝土构造柱和水平圈梁后，其刚度并无明显变化，但强度可提高55，变形能力可增大 5 倍。 以上可以看出，墙构造柱组合体系可以较明显地改善砌体结
9、构的延性，同时也可以提高砌体结构的竖向承载能力和水平承载能力。 4 延性与混凝土结构 我国的钢筋混凝土设计规范没有对抗震结构的延性系数提出具体要求，但是在计算和构造的规定中给出了一定的措施，也就是我们通常所说的概念设计。这些具体措施包括如下一些内容。 41 构件设计的原则，如“强柱弱梁” 、 “强剪弱弯” 、 “强节点弱杆件”以保证结构在地震作用下的破坏是延性破坏，而非脆性破坏。 42 限制构件截面的极限状态时受压区的相对高度和柱的轴压比以及高强度等级钢筋的使用。 43 减小构件的最大配筋率的限值，增大构件的最小配筋率的限值，加大钢筋的锚固长度。 在钢筋混凝土构件的延性分析中，对设计来说，最基
10、本的延性指标是截面的曲率延性，构件的位移延性可以按照有关假设和公式用曲率延6性来导出。在截面的延性计算中，箍筋和轴压比是影响延性的两个基本因素。确定曲率延性同这两个指标的关系是延性计算的主要任务。 在钢筋混凝土结构中，塑性铰与延性有着很密切的关系。钢筋混凝土塑性铰分为两种，一种是受压铰，另一种是受拉铰。受拉铰是由于受拉钢筋屈服后产生较大的塑性变形而形成的；这种情况多发生于受弯及大偏心受压构件中。受压铰是由于受压混凝土的塑性变形而形成的；这种情况多发生于小偏心受压构件以及超筋受弯构件中。这两种铰的延性有很大的差别。受拉铰的延性比较好，有较大吸收能量的能力；在抗震设计中，尽可能使得构件出现受拉铰。
11、受压铰在实际工程中应尽量避免，因此我们常用加密箍筋或改变箍筋形式以形成约束混凝土来尽可能地增加混凝土受压时的塑性变形。 5 考虑结构延性进行设计的两个方向 考虑结构延性进行设计有两个大的方向，一个是延性的确定性设计，另一个是延性的非确定性设计。确定性研究主要是指我们如何把延性指标具体化，如何对延性进行精确的计算。在这方面，很多学者和设计专家作了很多的研究工作但结果并不理想。延性的非确定性研究实际上就是如何更好的把延性的研究成果用于结构抗震的概念设计。比如，我们可以通过我们做的各种结构抗震分析的试验以及我们做的抗震理论研究分析各种结构和构件的延性主要受哪些因素的影响：截面尺寸、材料性质、剪跨比、轴压比、体积配筋率、箍筋形式等各种因素都可能影响结7构的延性。我们千万不能忽视工程抗震的概念设计，因为我们对延性进行精确性分析的时候，其实假定了很多条件。而在实际工程中，这些条件并不一定能够满足。这时候，我们就需要概念设计来加强结构的延性。参考文献： 1 饶远文. 结构设计优化技术及其在房屋结构设计中的应用J, 价值工程.2009. 2 邹俊. 建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的现实应用J, 应用技术, 2010. 3 辛海虹. 结构设计优化技术与其在房屋结构设计中的应用J. 价值工程,2010.
