建筑抗震設(shè)計(jì)中的延性設(shè)計(jì)

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摘要:地震中結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性狀態(tài)后，只能依靠變形吸收能量以維持結(jié)構(gòu)“安全”，所以，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的根本驗(yàn)算應(yīng)是強(qiáng)震作用下結(jié)構(gòu)的變形驗(yàn)算，因此從某種意義上說(shuō)，結(jié)構(gòu)抗震的本質(zhì)就是延性。一個(gè)結(jié)構(gòu)具有較大延性或較高耗能能力的話，即使承載力較低，也能夠吸收較多能量，抗御較強(qiáng)地震而不會(huì)倒塌。

關(guān)鍵詞:塑性鉸；吸能耗能；變形能力；結(jié)構(gòu)延性

結(jié)構(gòu)、構(gòu)件或截面的延性是指從屈服開(kāi)始至達(dá)到最大承載力或達(dá)到以后而承載力還沒(méi)有顯著下降期間的變形能力，也就是說(shuō)，延性是反映結(jié)構(gòu)、構(gòu)件或截面的后期非彈性變形能力，變形能力是指結(jié)構(gòu)、構(gòu)件或截面達(dá)到最大破壞狀態(tài)時(shí)的最大變形，而變形能力是結(jié)構(gòu)吸能和耗能能力的外在表現(xiàn)，所以延性的本質(zhì)是吸能和耗能。結(jié)構(gòu)所吸收的地震能量，等于結(jié)構(gòu)承載力與變形能力的乘積，也就是說(shuō)結(jié)構(gòu)抗震能力是由承載力和變形能力兩者共同決定的。

在中等地震作用下，允許結(jié)構(gòu)某些部位進(jìn)入屈服狀態(tài)，形成塑性鉸，這時(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性狀態(tài)。在這個(gè)階段結(jié)構(gòu)剛度降低，地震慣性力不會(huì)很大，但結(jié)構(gòu)變形加大，結(jié)構(gòu)是通過(guò)塑性變形來(lái)耗散地震能量的。具有上述性能的結(jié)構(gòu)，稱為延性結(jié)構(gòu)。地震中結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性狀態(tài)后，只能依靠變形吸收能量以維持結(jié)構(gòu)“安全”，所以，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的根本驗(yàn)算應(yīng)是強(qiáng)震作用下結(jié)構(gòu)的變形驗(yàn)算，因此從某種意義上說(shuō)，結(jié)構(gòu)抗震的本質(zhì)就是延性。

以我們當(dāng)前對(duì)地震的認(rèn)識(shí)水平，要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)物與地基在未來(lái)地震作用下的抗震能力，尚難以做到。因此，結(jié)構(gòu)的抗震能力應(yīng)著眼于結(jié)構(gòu)物與地基整體抗震能力的概念設(shè)計(jì)，再輔以必要的計(jì)算分析和構(gòu)造措施，從根本上消除結(jié)構(gòu)物與地基中的抗震薄弱環(huán)節(jié)，才有可能使設(shè)計(jì)出的結(jié)構(gòu)具有足夠的抗震可靠度。

結(jié)構(gòu)體系的抗震能力綜合表現(xiàn)在強(qiáng)度、剛度、和延性三者的統(tǒng)一，即抗震結(jié)構(gòu)體系應(yīng)具有必要的強(qiáng)度和良好的變形能力，如果抗震結(jié)構(gòu)體系有較高的抗側(cè)強(qiáng)度，但同時(shí)缺乏足夠的延性，這樣的結(jié)構(gòu)在大震作用下很容易破壞。例如不配筋又無(wú)鋼筋混凝土構(gòu)造柱的的砌體結(jié)構(gòu)，其抗震性能較差。另一方面，如果結(jié)構(gòu)有較大的延性，但抗側(cè)力的能力不足，這樣的結(jié)構(gòu)在大震作用下，必然產(chǎn)生較大的變形，如純框架結(jié)構(gòu)，其抗震性能依然較差，震害調(diào)查表明，在歷次地震中，鋼筋混凝土純框架破壞嚴(yán)重，甚至倒塌者屢見(jiàn)不鮮。

結(jié)構(gòu)體系是由各類構(gòu)件連接而成的，各個(gè)構(gòu)件的抗震能力是結(jié)構(gòu)體系抗震能力的前提，抗震結(jié)構(gòu)的構(gòu)件應(yīng)具備必要的強(qiáng)度、適當(dāng)?shù)膭偠?、良好的延性和可靠的連接，并應(yīng)重視強(qiáng)度、剛度和延性的合理均衡。但強(qiáng)度、剛度和延性三者之間并不是相互獨(dú)立的，結(jié)構(gòu)體系的抗震能力是強(qiáng)度、剛度和延性三者的矛盾統(tǒng)一。構(gòu)件剛度太大，會(huì)降低結(jié)構(gòu)的延性，同時(shí)自振周期變短，增大地震作用，地震作用增大的同時(shí)則要求結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件具有較高的承載力，而較高的承載力往往以提高造價(jià)和降低結(jié)構(gòu)變形能力為代價(jià);構(gòu)件剛度過(guò)小，在地震作用下，結(jié)構(gòu)變形過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞甚至整體倒塌。必要的強(qiáng)度、剛度和延性三者缺一不可，但其中延性的設(shè)計(jì)尤為突出，是做到大震不倒的關(guān)鍵所在。但在實(shí)際工作中，結(jié)構(gòu)工程師往往只注重結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，認(rèn)為強(qiáng)度高的構(gòu)件或結(jié)構(gòu)必然是安全的，而忽視了對(duì)延性的設(shè)計(jì)，這種強(qiáng)度較高的構(gòu)件或結(jié)構(gòu)給人以安全的假象，實(shí)際在強(qiáng)震作用下因?yàn)槿狈ψ銐蜓有远嬖谳^大的安全隱患。

延性的設(shè)計(jì)主要依靠合理的抗震措施，如砌體結(jié)構(gòu)，具有較大的剛度和一定的強(qiáng)度，但延性較差，若在砌體中設(shè)置圈梁和構(gòu)造柱，將墻體橫豎相箍，起到骨架作用，則可以大大提高變形能力。又如較長(zhǎng)的鋼筋混凝土抗震墻，剛度大強(qiáng)度高，但延性不足，若在抗震墻中用弱連梁把墻體劃分為若干并列墻段，則可以大大改善墻體的變形能力，做到強(qiáng)度、剛度和延性的合理分配。

延性的本質(zhì)是吸能和耗能，結(jié)構(gòu)的吸能和耗能能力，主要依靠結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在預(yù)定部位產(chǎn)生塑性鉸，即結(jié)構(gòu)可承受反復(fù)的塑性變形而不倒塌，仍具有一定的承載能力，預(yù)定部位是指在該位置塑性鉸的形成不會(huì)危機(jī)整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全。

為了提高結(jié)構(gòu)的延性，在設(shè)計(jì)中應(yīng)采取以下的概念設(shè)計(jì):(1)利用結(jié)構(gòu)各部分的聯(lián)系構(gòu)件或非主要承重構(gòu)件形成“耗能元件”。在對(duì)這種“耗能元件”合理設(shè)計(jì)后，可使整個(gè)結(jié)構(gòu)在預(yù)估的罕遇地震下產(chǎn)生可以承受的破壞，并消耗相當(dāng)?shù)牡卣鹉芰?，從而維持了整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定和繼續(xù)承受荷載的能力。如設(shè)有連梁的并聯(lián)抗震墻，連梁即可設(shè)計(jì)成很好的耗能元件，以使罕遇地震作用下連梁先出現(xiàn)塑性鉸;又如框架結(jié)構(gòu)的填充墻，經(jīng)合理設(shè)計(jì)后可增加結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)在地震反復(fù)作用下填充墻產(chǎn)生裂縫，可以大量吸收和耗散地震能量，起到耗能元件作用，即同時(shí)增大了結(jié)構(gòu)的延性，因?yàn)樘畛鋲ν瑫r(shí)影響到結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和延性，所以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師應(yīng)提高對(duì)填充墻的設(shè)計(jì)認(rèn)識(shí)，而不僅僅是作為結(jié)構(gòu)上的荷載來(lái)處理。

(2)將塑性鉸控制在一系列有利部位，把能量耗散在整個(gè)結(jié)構(gòu)的平面和剛度上。為使結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震下出現(xiàn)塑性鉸以吸能和耗能，必須在設(shè)計(jì)時(shí)有意識(shí)地在一些構(gòu)件中采取特殊的構(gòu)造措施，使塑性變形集中在一些潛在的屈服區(qū)，使結(jié)構(gòu)具有更有利的塑性重分布能力，使這些并不危險(xiǎn)的部位首先形成塑性鉸或發(fā)生可以修復(fù)的破壞，從而保護(hù)主要承重體系。否則塑性鉸的出現(xiàn)可能使結(jié)構(gòu)過(guò)早倒塌。如在鋼筋混凝土框架設(shè)計(jì)中要求“強(qiáng)柱弱梁”的原則，其目的就在于使框架結(jié)構(gòu)的塑性鉸先出現(xiàn)在各梁端而不是柱端。(3)要求結(jié)構(gòu)具有盡可能多的贅余度。若結(jié)構(gòu)沒(méi)有適當(dāng)?shù)馁樣喽?，在出現(xiàn)塑性鉸時(shí)就會(huì)形成幾何可變的“機(jī)構(gòu)”，失去承載能力而倒塌。一般來(lái)說(shuō)，超靜定次數(shù)越高，對(duì)抗震越有利，但這不是充分條件，主要與形成屈服區(qū)和塑性鉸的部位直接相關(guān)。如在框架或框架剪力墻體系中，當(dāng)框架梁端或連梁端部出現(xiàn)塑性鉸時(shí)，均不至于導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的破壞。因此，抗震設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要原則是結(jié)構(gòu)應(yīng)具有較好的贅余度和內(nèi)力重分布的功能，即使部分構(gòu)件退出工作，其余構(gòu)件仍能承但地震作用和相應(yīng)的豎向荷載，避免整體結(jié)構(gòu)的連續(xù)垮塌。

應(yīng)當(dāng)看到，盡管延性設(shè)計(jì)在經(jīng)濟(jì)上有很大的優(yōu)越之處，但這些優(yōu)越總是以結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定程度的損傷為代價(jià)，這是在設(shè)計(jì)延性抗震結(jié)構(gòu)時(shí)必須預(yù)先了解到的，但考慮到只要能實(shí)現(xiàn)我們?nèi)疁?zhǔn)的抗震設(shè)防目標(biāo)，即保證“小震不壞”、“中震可修”、“大震不倒”，我們的抗震設(shè)計(jì)就是成功的，出現(xiàn)損傷是完全可以接受的。

總之，地震從能量觀點(diǎn)看，就是地下能量的釋放，建筑結(jié)構(gòu)所受的地震作用實(shí)際上就是一種能量的傳遞，在接受到地下能量的同時(shí)，如何吸收和消耗這些能量就成為抗震設(shè)計(jì)的本質(zhì)內(nèi)容，即是延性設(shè)計(jì)。從鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)的基本原則，到結(jié)構(gòu)抗震承載力和變形驗(yàn)算以及抗震措施的制定，都是為了保證結(jié)構(gòu)或構(gòu)件延性，因此只有把握了抗震設(shè)計(jì)的本質(zhì)問(wèn)題，才能真正設(shè)計(jì)出具有較好抗震性能的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)安全與經(jīng)濟(jì)的完美結(jié)合。

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作者：郭喜斌 單位：太原理工大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院