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1、結構延性與抗震設計7結構延性與抗震設計7結構延性與抗震設計7結構延性與抗震設計7結構延性與抗震設計7一、結構在地震下的主要特點地震以波的形式從震源（地面上的相對位置稱震中）向周圍快速傳播，通過巖土和地基，使建筑物的基礎和上部結構產(chǎn)生不規(guī)則的往復振動和激烈的變形。結構在地震時發(fā)生的相應運動稱為地震反應，包括位移、速度、加速度。同時，結構內部發(fā)生很大的內力（應力）和變形，當它們超過了材料和構件的各項極限值后，結構將出現(xiàn)各種不同程度的破壞現(xiàn)象，例如混凝土裂縫，鋼筋屈服，顯著的殘余變形，局部的破損，碎塊或構件墜落，整體結構傾斜，甚至倒塌等等。在震中區(qū)附近，地面運動的垂直方向振動激烈，
2、且頻率高，水平方向振動較弱；距震中較遠處，垂直方向的振動衰減快，其加速度峰值約為水平方向加速度峰值的1／2～1／3.因此，對地震區(qū)的大部分建筑而言，水平方向的振動是引起結構強烈反應和破壞的主要因素。鋼筋混凝土結構在地震作用下受力性能的主要特點有：1、結構的抗震能力和安全性，不僅取決于構件的（靜）承載力，還在很大程度上取決于其變形性能和動力響應。地震時結構上作用的“荷載”是結構反應加速度和質量引起的慣性力，它不像靜荷載那樣具有確定的數(shù)值。變形較大，延性好的結構，能夠耗散更多的地震能量，地震的反應就減小，“荷載”小，町能損傷輕而更為安全。相反，靜承載力大的結構，可能因為剛度大、重
3、量大、延性差而招致更嚴重的破壞。2、屈服后的工作階段——當發(fā)生的地震達到或超出設防烈度時，按照我國現(xiàn)行規(guī)范的設計原則和方法，鋼筋混凝土結構一般都將出現(xiàn)不同程度的損傷。構件和節(jié)點受力較大處普遍出現(xiàn)裂縫，有些寬度較大；部分受拉鋼筋屈服，有殘余變形；構件表面局部破損剝落等。但結構不致倒塌。3、“荷載”低周的反復作用——地震時結構在水平方向的往復振動，使結構的內力（主要是彎矩和剪力，有時也有軸力）發(fā)生正負交變。由于地震的時間不長且結構具有阻尼，荷載交變的反復次數(shù)不多（即低周）。所以，必須研究鋼筋混凝土構件在低周交變荷載作用下的滯回特征。4、變形大——地震時結構有很大變形。例如橋墩的側
4、向位移等。一方面對結構本身產(chǎn)生不利影響，如柱的二階（P—A）效應，增大附加彎矩，甚至引起失穩(wěn)或傾覆，構造縫相鄰結構的碰撞等；另一方面造成非結構部件的破損，橋梁上部結構的脫落等破壞。故抗震結構設計時要控制其總變形。二、單調荷載下的延性1、材料、構件或結構的延性通常定義為在初始強度沒有明顯退化情況下的非彈性變形的能力。它包括兩個方面的能力：（1）承受較大的非彈性變形，同時強度沒有明顯下降的能力。（2）利用滯回特性吸收能量的能力。圖10-1的廣義力一變形（9—D）曲線可以概括地說明延性的概念。其中一條曲線在經(jīng)過彈性變形、塑性應變之后在硬化充分發(fā)展后軟化；而另一條在達到其承載能力之后
5、沒有或幾乎沒有硬化過程而直接軟化，有明顯的尖峰。前者稱為延性而后者稱為脆性。在實際工程中判斷結構的脆性或延性有重大的意義，可從延性結構的優(yōu)越性加以說明：（1）破壞前有明顯預兆，破壞過程緩慢，因而可采用偏小的計算安全可靠度。（2）出現(xiàn)非預計荷載，例如偶然超載，荷載反向，溫度升高或基礎沉降引起附加內力等情況下，有較強的承受和抗衡能力。（3）有利于實現(xiàn)超靜定結構的內力充分重分布。（4）在承受動力作用（如振動、地震、爆炸等）情況下，能減小慣性力，吸收更大動能，減輕破壞程度，有利于修復。（5）延性結構的后期變形能力，可以作為各種意外情況時的安全儲備。2.延性指標在利用延性特性設計抗震結
6、構時，首先必須確定度量延性的量化指標。衡量結構和材料的延性一般用延性系數(shù)，其定義為：在保持結構或材料的基本承載能力的情況下，極限變形0u和初始屈服變形D，的比值，即：當廣義變形D定義為具體物理量時，就有相應的延性系數(shù)，如截面曲率延性系數(shù)^／P＼構件或結構的位移延性系數(shù)B、轉角延性系數(shù)B等，則：最常用的是曲率延性系數(shù)（也稱曲率延性比）和位移延性系數(shù)（也稱位移延性比）。曲率延性系數(shù)通常用于反映構件臨界截面的相對延性，位移延性系數(shù)則用于反映構件局部或結構整體的相對延性。一般認為鋼筋混凝土抗震結構要求的延性系數(shù)為B=3-4.三、延性在抗震設計中的重要性及其作用在我國現(xiàn)在的多高層建筑中
7、，鋼筋混凝土結構應用最為普遍，其中鋼筋混凝土框架結構是最常用的結構形式。因為其具有足夠的強度、良好的延性和較強的整體性，目前廣泛用于地震設防地區(qū)。鋼筋混凝土框架結構具有良好的抗震性能，然而未經(jīng)合理設計的框架結構會在地震作用下產(chǎn)生較嚴重的震害。結構抗震的本質就是延性，延性是指構件和結構屈服后，在承載能力不降低或基本不降低的情況下，具有足夠塑性變形能力的一種性能，一般用延性比來表示。對于受彎構件來說，隨著荷載增加，首先受拉區(qū)混凝土出現(xiàn)裂縫，表現(xiàn)出非彈性變形。然后受拉鋼筋屈服，受壓區(qū)高度減小，受壓區(qū)混凝土壓碎
