浅谈结构延性的重要性

浅谈结构延性的重要性（主论文）作者：蒋金泉单位：云南人防建筑设计院有限公司日期：二〇一五年五月职称评审论文浅谈结构延性的重要性云南人防建筑设计院有限公司蒋金泉【摘要】：混凝土延性设计是提升建筑结构的整体性、稳定性，减少结构受到外力时受到的破坏程度，提升建筑抗震能力，对于建筑安全以及使用者的安全都有着重要意义。本文从混凝土结构延性概念、重要性、延性设计进行了分析。【关键词】：延性抗震性能延性设计措施构件延性结构整体延性一、前言在结构抗震设计时，我们通常会说，要保证结构有足够的延性，何为延性？为何延性在抗震设计中如何重要？本文讲介绍延性的基本概念和设计中怎样实现提高结构构件和结构整体延性的方法，以及对设计过程中容易出现的误区给予总结。二、延性的概念在结构抗震设计时，我们通常会说，要保证结构有足够的延性，何为延性？为何延性在抗震设计中如何重要？首先看玻璃和橡胶，哪个抗压强度大？当然，这里指的是普通玻璃，不是钢化玻璃。肯定玻璃的强度要高一些，试想一下，你拿根坚硬的针，能在玻璃上能扎个孔出来吗？似乎很难。但是，你可以很容易的在橡胶上扎个孔。尽管玻璃的强度大，但是你不会觉得玻璃更“结实”，你试着拿个锤子，可以一锤子将玻璃砸碎，但是却不会砸碎橡胶。原因在于，橡胶的变形能力大，即延性大。当材料的强度提高时，它的变性能力，即延性通常会变差。结构设计也是一样的道理，我们不可能无限制的通过提高结构的承载能力来达到抗震的目的，原因在于：（1）地震具有不确定性，就算承载能力再高，也有可能会遭遇超过设防烈度的地震作用；（2）结构设计的基本原则应该是安全、经济、有效，承载能力设计过高，经济性差，因为设计了如此高的承载能力，花费了巨额投资，在结构服役期内却未必有地震作用；（3）更重要的是，承载力设计过高，结构的延性较差，会出现地震作用超过承载能力后，结构象玻璃一样立即产生“脆性破坏”。框架结构中，延性设计措施概括起来有三句话：强柱弱梁，强剪弱弯，强节点强锚固。（1）强柱弱梁，是要求结构在强震下进入塑性阶段时，塑性铰要在首先在梁端出现，而不是柱端。因为梁端塑性铰为局部破坏机制，可以利用梁端塑性铰的转动来耗能。而柱端塑性铰为整体倒塌机制，柱端一旦出现塑性铰，整个结构将会丧失承载能力。（2)强剪弱弯，是要求结构的抗剪能力要强于抗弯能力，避免结构或构件在弯曲破坏之前已经形成剪切破坏，以保证构件、结构的延性。因为剪切破坏是一种脆性破坏，耗能能力差。（3）强节点强锚固，是指构件在自身破坏之前，避免出现节点区破坏和钢筋锚固破坏，否则构件自身的耗能能力无法得到充分利用。而结构设计中，重要构件往往通过限制配筋率来确保其性能发挥，超限审查中也经常伴随着提高某一批次构件的配筋率，然配筋率与延性之间到底有着怎样的千丝万缕？先给延性戴个帽，延性指结构或构件屈服后，强度或承载力没有显著降低时的塑性/非弹性变形能力。分为材料、截面、构件及结构延性，常用延性系数来表达，即：材料延性是应变延性，通过应力-应变曲线来反映，表观的是材料屈服后的塑（脆）性变形能力；截面延性是曲率延性，通过受压区高度来反映，表观的是截面屈服后的塑性转动能力；构件延性是位移延性，通过塑性铰来反映，表观的是塑性铰的转动能力；结构延性也是位移延性，通过基底剪力-顶点位移曲线或层剪力-层位移曲线来反映，表观的是整体塑性变形能力。四种延性之间存在着相互牵制与影响，尤其是材料延性与截面延性、构件延性与结构延性，材料延性与截面延性是负相关的，构件延性与结构延性的关系取决于塑性铰形成后结构的破坏机制（仍是现阶段结构工程领域研究热点与难点）。材料延性是根本，是本构关系的层次（本构关系仅针对材料而言，然设计中不乏构件本构，更有甚者，出现结构本构），影响着其他三种延性，一般采用应变延性指标来衡量，即极限应变/屈服应变。结构中存在两大材料：钢与砼，钢应力-应变曲线设计者应很熟悉，弹性段、屈服段（屈服点）、强化段与颈缩段，具体来讲，钢延性指标=峰值应力应变/屈服点应变；砼本构研究最透彻的当属非约束混凝土的单轴受压本构，应变延性与砼强度存在很大关系，随强度提高，应力-应变曲线的弹性工作段拉长，峰值应变值提高，下降段陡峭（意味着脆性强化）。砼延性指标=极限应变/峰值应变，砼极限应变可取0.003~0.004，普通砼峰值应变为0.0015~0.002，高强砼峰值应变为0.002；实际结构砼基本都属于约束砼，由于箍筋的环箍效应，应力-应变关系也发生了变化，约束越好延性越好，约束的好与不好通过配箍特征值来衡量。规范中对材料使用的限定一般是从材料延性考虑，如“对于框支梁、框支柱及一级框架梁、柱，砼强度等级不应低于C30…钢筋的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值不应小于1.25…钢材的屈服强度实测值与抗拉强度实测值的比值不应大于0.85…”。截面延性衡量着截面的塑性转动能力，即塑性铰的转动能力，对应于弯矩-曲率关系曲线，表达式为极限曲率/屈服曲率。在适当配筋率下，由于受拉钢筋屈服时截面并没有屈服，因此需对屈服曲率进行放大调整，调整系数约为1.1~1.2，即，极限曲率通常取受压区边缘混凝土达到其极限压应变时的曲率，即：截面曲率延性一般可从相对受压区高度的角度理解，影响截面延性的因素主要有：1）砼强度，两面性：强度提高脆性增强，材料延性降低；强度提高受压区高度减少，截面延性提高；2）轴压比，减小轴压比，受压区高度减小，延性提高；3）箍筋，约束砼的极限压应变增大，变相提高砼强度，受压区高度减小，延性提高（规范中轴压比在特别箍筋条件下适当放松，即是此方面的考虑）；4）纵向钢筋，高强度钢筋à屈服强度高à屈服应变大à屈服曲率提高à截面延性降低，配置受压钢筋à受压区高度降低à截面延性提高，提高配筋率à变相降低轴压比（提高轴压承载力）；5）截面形状，规则截面（圆形、方形及矩形）破坏流动性低，方向性明确，较不规则截面（异形柱）延性好。对于压弯构件（墙、柱与斜撑等），如上述配筋率的描述，配筋率左右着轴压承载力，随着轴压承载力的提高，构件的塑性变形长度变大，因此截面延性提高。但是，结构工程师需要充分认识到，配筋率不是提高竖向构件延性的首要因素，即配筋率的功效比较低。对于受弯构件（梁等），延性随配筋率的提高而降低，但当配置适当充分的受压钢筋，有利于改善高配筋率带来的延性不足，这也是规范弱化受拉钢筋配筋率的缘由。构件延性表征的是塑性铰的转动能力，由于曲率与位移存在比值关系，因此位移延性与截面曲率延性存在关系式，k为与构件长度、塑性铰长度相关系数。构件的塑性变形集中于两端的塑性铰区，曲率延性系数应比位移延性系数大（截面延性要求高于构件延性要求），才能保证抗震要求（关系式也传达此信息）。避免倒塌思路：位移延性系数限值（倒塌临界值）à曲率延性系数à砼极限压应变à采取措施满足。结构延性通常用顶点位移或层间位移来表达，由于结构延性与构件延性存在藕断丝连的联系，因此结构延性（系数）难直观得出，常借助于静力弹塑性分析近似判断，也就是经常见到的基底剪力-顶点位移曲线。但上述方法存在很多人为因素：施加水平力的形状（基于第一振型的加载函数往往低估中间层的地震反应）、极限/屈服位移的定义（一般极限位移可取峰值承载力90%对应的位移，个别或若干构件屈服，不等同于整体或某层屈服，尤其是层概念明确的钢结构），所以，在静力弹塑性分析中，工程师对于结构整体性能的把握更为重要。规范中关于构件/结构构造的不同规定侧重于不同的延性要求，如材料延性：砼强度最低要求、钢筋强屈比、钢材的屈强比、焊接性及冲击韧性等；截面延性：梁最小/大配筋率要求（决定着梁的破坏形态：弯曲破坏or剪切破坏）、截面相对受压区高度限值、柱墙轴压比及纵向钢筋配筋率；构件延性：柱梁塑性铰区砼的约束程度（箍筋加密要求）、梁柱墙剪跨比（决定着构件破坏模式）、连梁、转换构件；结构延性：框剪、框筒的（类）0.2V0调整、剪力墙底部加强区、转换层、加强层、错层及嵌固端构造要求（构件延性的提高有利于结构延性的发展，构件延性的要求高于结构延性，如非底部加强部位设置YBZ、芯筒角部增设型钢、大跨度框架中框架柱采用型钢柱或钢管柱、高跨比较大连梁增设型钢、核心筒钢板剪力墙等，上述措施也往往是超限结构的构造加强措施）。另外，延性与承载力之间还有个比较有趣的现象：二者具有反向性。结构或构件的延性随着承载力的提高有降低的趋势，可以来个极端比较，分别对某结构进行小/S、中/M及大/L震弹性设计，承载力，位移延性系数。因此结构工程师要把握好强度与延性的含量比，把握结构的真实内涵，设计出和力而有韧的合理结构。三、延性设计的重要性为什么要重视概念设计呢？因为现有的各种计算理论、计算假定、计算模型、计算方法还不够完善，都是近似的。程序不是万能的，程序是有使用条件和适用范围的，程序也会有缺陷（特别是PKPM），程序计算出来的结果不一定完全准确，不一定都与事实相符，程序计算通过了并非就可以高枕无忧了。对程序计算结果，设计师应根据力学概念和工程经验进行判断，确认合理有效后再实施。不掌握概念设计的精髓，不理解规范的意图，不知道从宏观上控制结构安全，那么很可能出现设计出来的结构在6度时计算可以通过，烈度一增大到7度，结构马上就倒塌了，那是不行的。因为实际地震发生时，它的烈度是不确定的，很有可能大于设防烈度，如果你只能满足设防烈度的要求，说明你的设计不是好的设计。真正好的设计，应该是在设防烈度（弹性）下不坏，大于设防烈度（进入弹塑性）情况下也能最大程度的减小震害。为什么要重视延性设计呢？因为延性设计是概念设计的一部分，是保证结构在超过设防烈度的地震作用下仍旧有良好的变形能力，通过耗能，减小地震作用的破坏，最大程度的保护生命财产安全。延性设计的目的是控制破坏形态，规范中有很多属于概念设计的延性措施，如强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件。拿强柱弱梁来说，其目的就是让梁先坏来保证柱不坏以防止结构发生整体垮塌。如果设计者不理解规范的意图，通过盲目加大材料用量来解决安全问题，以为结构更安全了，实际上起了反作用，使结构变的更不安全了。四、结构设计中容易犯的错误延性包括两个层面：构件延性和结构整体延性。构件延性是结构延性的前提，但只满足构件延性是不够的，满足后者更重要。延性设计的本质是通过构造措施提高结构整体变形能力，通过变形耗能，延长抵抗地震的时间，实现大震不倒的目的。延性设计的关键是通过控制构件破坏顺序（次要构件先坏，弯曲先于剪切破坏）实现控制结构整体破坏形态。因此构件过分强大不一定有益，延性好才更安全。强震是不可硬抗的，强震时地震力可能是设计值的几十倍甚至上百倍，在强震下没有安全储备，一切构件都是可能破坏的，但我们仍然可以通过控制构件破坏的顺序和结构整体破坏形态达到减少地震伤害的目的，即以柔克刚。这才是延性设计的精髓。下面以强柱弱梁为例，说明现在设计中普遍容易犯的错误。强柱弱梁的实现一定要保证柱的实际抗弯能力大于梁的实际抗弯能力，实际抗弯能力应用实际配筋计算（梁的实配钢筋包括梁的钢筋和相关范围内楼板的钢筋）。这里特别强调“实际”两字，因为现实设计中设计人员往往喜欢放大梁端配筋（有的放大达2倍），实配钢筋远远大于计算配筋，设计师认为这样更安全，实际情况恰恰相反。由于梁配筋增加幅度远大于柱配筋增大幅度，使得梁的实际抗弯能力大大高于柱的抗弯能力，这样在中震情况下，首先是柱而不是梁出现塑性铰，造成结构垮塌。在汶川地震震害调查时，因“强梁弱柱”而引起结构破坏的情况比比皆是，这充分说明目前设计人员对于规范的理解不够透彻，对延性设计的概念不够清晰，迷信程序，盲目放大配筋，造成了严重的后果。这都是血的教训！也许有人会说，梁端配筋放大是为了满足梁抗裂要求造成的，这又是一种不求甚解、不负责任、偷懒和片面的观点。我们知道，SATWE计算配筋和裂缝时都是按单筋矩形梁计算的，而工程中实际的梁基本上都是有翼缘的，受压区也是有配筋的。如果计算裂缝时考虑受拉区楼板钢筋参与工作并考虑受压区配筋的贡献，那么绝大多数情况下梁按强度计算结果所配钢筋是满足0.3mm的抗裂要求的。还有一个事实大家容易忽略，那就是梁的配筋是按弯矩包