第十六章-抗震性能

第四篇构件的特殊受力性能第16章抗震性能16.1结构抗（地）震性能的特点地震：地壳岩层中长期积聚的巨大变形能突然释放，使得局部地面在短期内发生强烈的垂直和水平运动，称之为地震。诱发原因：火山爆发、岩层断层错位和地层陷落等。地震以波的形式从震源向周围快速传播，通过岩土和地基，使建筑物的基础和上部结构产生不规则的往复振动和激烈的变形。地震反应：结构在地震时发生的相应运动。包括位移、速度、加速度。16.1结构抗（地）震性能的特点震中区附近，地面运动的垂直方向振动激烈，且频率高，水平方向振动较弱；距震中较远处，垂直方向的振动衰减快，其加速度峰值约为水平方向加速度峰值的1/3~2/3。因此，对地震区的大部分建筑而言，水平方向的振动是引起结构强烈反应和破坏的主要因素。钢筋混凝土结构在地震中损坏与否及其损伤程度，主要取决于：①地震的震级和所处位置的烈度②建筑物与震中的距离和所在场地的地基状况③地面运动的速度、加速度（峰值）、频谱特性、强震持续时间等地震参数④结构的抗震体系和布置、动力特性、自重、材料和构件的延性、构件和节点的构造等结构参数16.1结构抗（地）震性能的特点钢筋混凝土结构在地震作用下受力性能的主要特点有：①结构的抗震能力和安全性，不仅取决于构件的(静)承载力，还在很大程度上取决于其变形性能和动力响应。地震时结构上作用的“荷载”是结构反应加速度和质量引起的惯性力。结构变形较大，延性好，能够消散更多的地震能量，地震的反应显著减小，“荷载”小，可能损伤轻而更为安全。相反，静承载力大的结构，可能因为刚度大、重量大、延性差而招致更严重的破坏。故地震区一般优先考虑设计抗震性能好的延性结构。②屈服后的工作阶段。当发生的地震达到或超出设防烈度时，钢筋混凝土结构一般都将出现不同程度的损伤，但结构16.1结构抗（地）震性能的特点不致倒塌。故地震来临时，结构的“正常”工作阶段是在构件受力的后期，钢筋已经屈服，甚至进入了承载力的下降段。③“荷载”低周反复作用：地震时结构在水平方向往复振动，相当于水平荷载在正、负方向的交变作用。荷载的反复作用使结构的内力发生正负交变。所以，必须研究钢筋混凝土构件在交变荷载作用下的滞回特征，并建立恢复力模型，作为抗震结构受力全过程分析的基础。④变形大。地震时结构有很大变形，例如柱和墙的侧向位移等。一方面对结构本身产生不利影响，另一方面造成非结构部件的破损或失效。故设计抗震结构是要控制其总变形和层间变形等。16.2单调荷载下的延性16.2.1延性的概念和表达力-变形曲线的形状和变化是结构或材料的宏观力学性能的综合反应。按照研究和分析的对象，广义力-变形关系有具体的物理概念和相应的曲线形状：材料—应力-应变曲线，钢筋拉伸曲线，钢筋与混凝土的粘结-滑移曲线；16.2.1延性的概念和表达混凝土受压曲线：●钢筋拉伸曲线：16.2.1延性的概念和表达钢筋与混凝土的粘结-滑移曲线光圆钢筋变形钢筋16.2.1延性的概念和表达构件截面—受弯构件的弯矩-曲率曲线，受扭构件的扭矩-扭转角曲线；构件—梁的荷载-跨中挠度、荷载-支座转角、柱的轴力-变形、偏压柱的轴力-中点侧位移、剪力-跨中挠度等曲线；16.2.1延性的概念和表达结构—框架或剪力墙的水平荷载-顶层水平位移、水平荷载-层间位移等曲线。所有这些宏观的力-变形曲线，可概括为两类典型的形状（图16-1）:●曲线有明显的尖峰，达到最大承载力后突然下跌，称之为脆性；●曲线在临近最大承载力的上下有可观的平台，即能够经受很大的变形，而承载力没有显著降低，称之为延性。16.2.1延性的概念和表达延性结构的优越性：①破坏前有明显的预兆，破坏过程缓慢，因而可采用偏小的计算安全系数或可靠度；②出现非预计荷载，例如偶然超载，荷载反向，温度升高或基础沉降等引起附加内力的情况下，有较强的承受和抗衡能力；③有利于实现超静定结构的内力充分重分布，提高结构承载力，充分利用材料效能；④承受动力作用情况下，减小惯性力，吸收更大动能，减轻破坏程度，有利于修复。16.2.1延性的概念和表达为了度量和比较结构或材料的延性，必须有一个明确的数值指标，一般取延性或延性比。其定义为：在保持结构或材料的基本承载力（强度）的情况下，极限变形和初始屈服变形的比值，即（16-1a）当广义变形D定为具体物理量时，就有相应的延性比，如截面曲率延性比、构件或结构的挠度（位移）延性比、转角延性比等，故uDyDuDyDD16.2.1延性的概念和表达…(16-1b)一般认为钢筋混凝土抗震结构要求的延性比为。□对于理想的F-D曲线（图16-2（a））中的和有准确值。在钢筋混凝土构件和结构的一般F-D曲线上，没有确凿无疑的Y点和U点。uy(1/)(1/)(1/)uyuy3~4yDuD16.2.1延性的概念和表达16.2.1延性的概念和表达对初始屈服点（Y）和极限点（U）至今尚无统一认可的定值方法。确定初始屈服点的现有方法有：①能量等值法（图16-2（c）），作二折线OY-YU替代原F-D曲线,条件是曲线下的总面积相等，或图中面积OAB=面积YUB；16.2.1延性的概念和表达②几何作图法（图16-2（d）），作直线OA与曲线初始段相切，与过U或M的水平线交于A点；作垂线AB与曲线交于B点，连OB并延伸与水平线交于C点，作垂线得Y点（）确定极限点的现有方法有：①取最大承载力下降15%，即；②取混凝土达极限（压）应变值33310~410u。yD0.85uMFF16.2.1延性的概念和表达初始屈服点和极限点（或和）的其它定值方法还有：根据曲线形状目估定值；计算变形增量的增长率定值等。不同的定值方法对同一F-D曲线给出的延性比有出入，应予以区别对待。16.2.2计算方法复杂结构和特殊构件的延性比一般需要进行专门的试验加以测定，最常用的简单梁、柱等弯、压构件可采用经过试验验证的方法计算延性比。yDuDD16.2.2计算方法已知截面和配筋的压弯构件，可用第15章的截面分析一般方法，其钢筋初始屈服和达极限变形时的截面应变分布如图16-3，对应的截面曲率为曲率的延性比为（16-2）00y0u1(1)1yyysyuuuufhxEhxh(1/)1()yusuyEf16.2.2计算方法16.2.2计算方法求得截面的弯矩-曲率（）关系，并确定构件的荷载和内力图后，即可用虚功原理（第12章）计算构件在钢筋屈服和达极限时的变形值，如挠度（）、转角（）等，代入式（16-1）计算相应的延性比。截面曲率和构件挠度、转角的延性比，有如下回归计算式：显然，构件的挠度和转角延性比都小于截面曲率延性比，从上述的实验结果、计算图形（图16-3）和计算式可以分析各主要因素对构件延性比的影响：1/M,yuww,yu(1/)w16.2.2计算方法①受拉钢筋的含钢率（）和轴压力（以轴压比表示）的增大，使极限状态时的受压区高度加大，延性减少；②受压区配置钢筋（）和提高混凝土强度等级的效果恰好相反，使压区高度减小，延性增大；③提高受拉钢筋的屈服强度，使屈服曲率增大，而极限曲率减小，延性比下降。④此外，构件内加密箍筋，构成约束混凝土，增大混凝土的极限压应变，有利于延性。0/sAbh/cNfA0/sAbhyfu16.2.3塑性区转角yuMMMpc钢筋混凝土结构在荷载作用下，当部分区段内的钢筋达到屈服强度，但截面弯矩仍小于其极限值（）时，在最大弯矩截面两侧形成一个塑性变形区，长度为（图16-5（a））。此区段内钢筋的塑性伸长大，曲率大大地超过构件的其他部分，形成一个局部的集中转角，称为塑性（铰）转角（）。plprll16.2.3塑性区转角随着荷载和截面最大弯矩的增大，塑性区的长度和塑性转角继续加大。当截面最大弯矩达到极限弯矩时，转角值也达到了构件的极限塑性转角，即构件塑性区的极限转动能力。钢筋混凝土杆系结构中钢筋局部受拉屈服形成塑性转角后，其直接结果是加大了结构的变形，这些附加变形增大了柱、墙等垂直构件的效应，影响了结构的极限承载力，另一方面，塑性转角的出现和发展，使超静定结构发生内力重分布，而极限塑性转角值又是验算该结构能否实现内力充分重分布所必须。uMuP16.2.3塑性区转角计算塑性转角和极限塑性转角，可以采用虚功原理（12.3节）：在塑性区两侧加上一对方向相反的单位力偶（图16-5），建立基本方程（式（12-26b））后可知，塑性区范围内的曲率（）图面积即为塑性转角，（16-8）在确定了构件的弯矩图、塑性区长度和截面的关系后，不难算出塑性转角（）。up和p1/1/Muppp41Aiiiz16.2.3塑性区转角塑性铰区长度主要取决于构件的弯矩图形状和最大弯矩值（）。若最大弯矩截面至左、右两侧弯矩为的截面分别相距和，再附加上因为钢筋屈服破坏了与混凝土的粘结而发生在附近的滑移段（），其总长度应为（16-9）为了简化计算，一般采用塑性（铰）区等效长度的概念。假设在此范围内各截面的曲率为一常数，其值（）由最大弯矩（）确定。若最大弯矩截面一侧的塑性等效长度为，则塑性转角为：1/plprlyMpllyMMpplprplprlllllplyMMpl16.2.3塑性区转角跨中和中间支座（16-10）固定端相应的极限塑性转角分别为或（16-11）根据我国实验结果的统计，塑性铰区等效长度为（16-12）平均值约为。2ppl0(0.2~0.5)plh2puulpuul0/3plhppl16.3低周反复荷载下的滞回特性16.3.1滞回曲线的一般特点发生地震时，结构在地震荷载的往复作用下工作，其内力将随之正负交替（图16-7（a））.结构在这种受力状态下的性能，通常取结构中的一部分，如柱、梁构件和节点，或者框架和剪力墙的局部等进行试验（图16-7（b））。16.3.1滞回曲线的一般特点试件按照一定的比例制作，施加的荷载可参照实际受力状况确定，通常是先施加轴向压力N，并维持恒定，然后按等增量（）施加往复作用的横向力P;当结构（钢筋）屈服后，改为由正、负向变形（位移）增量（）控制横向加载，直至构件破坏并丧失承载力为止（如右图）。钢筋混凝土压弯构件在试验中量测的滞回曲线的一般形状如图16-8，正向和反向加卸载（P）的次序分别以奇数和偶数表示。P16.3.1滞回曲线的一般特点构件的受拉钢筋屈服后，其正反向加、卸载曲线呈现一些特点：加载曲线—每一次加载过程中，曲线的斜率随荷载的增大而减小，且减小的程度加快；比较各次同向加载曲线，后次曲线比前次的斜率逐渐减小，说明了反复荷载下构件的刚度退化。数次反复荷载后，加载曲线上出现反弯点（拐点），形成捏拢现象（图16-8），而且捏拢现象逐次增大。16.3.1滞回曲线的一般特点卸载曲线—刚开始卸载时曲线陡峭，恢复变形很小。荷载减小后曲线趋向平缓，恢复变形逐渐加快，称为恢复变形滞后现象。曲线的斜率随反复加卸载次数而减小，表明构件卸载刚度的退化。全部卸载后，构件留有残余变形，其值随反复加卸载次数不断积累而增大。构件在正、反向各一次加卸载后所构成的荷载-位移（）滞回曲线具有不同形状（图16-9（a））：P16.3.1滞回曲线的一般特点①理想弹塑性材料的滞回环为一对边平行的封闭菱形;②Bauschinger材料的滞回环为卸载直线、再加载凸形曲线的丰满梭形；③梭形和④捏拢形是钢筋混凝土结构滞回环的一般形状，梭形和捏拢的饱满程度取决于构件的受力类型、材料、配筋和反复荷载的次数等。16.3.1滞回曲线的一般特点钢筋混凝土构件的滞回曲线的捏拢程度主要取决于：混凝土受拉裂缝的开展宽度、受拉钢筋的身长应变、钢筋与混凝土的相对滑移，以及混凝土受压塑性（残余）变形的积累、中和轴的变化等。滞回环对角线的斜度反映构件的总体刚度，滞回环包围的面积则是荷载正反交变一周时结构吸收的能量。显然滞回环