延性设计教学课件PPT.ppt

+ 研 143 周华 + 延性的定义 通常定义为在初始强度没有明显退化情况下的非弹 性变形能力。它包括两个方面的能力，一是承受 较大的非弹性变形，同时强度没有明显下降的能 力；二是利用滞回特性吸收能量的能力。 + 从延性的本质来看，它反映了一种非弹性变形的 能力，即结构从屈服到破坏的后期变形能力，这 种能力能保证强度不会因为发生非弹性变形而急 剧下降。 + 地震之所以造成结构损坏甚至倒塌，在于 它激起的地震惯性力超过了结构的强度。 如果纯粹依靠强度来抵抗地震作用，无疑 会造成材料的巨大浪费。因此，在工程抗 震中，一般都希望利用结构和构件的延性 抗震，即利用塑性铰减小地震力，并耗散 能量。 + 从变形的角度看，地震造成结构损坏的原因，在 于它激起的变形超出了结构的弹性极限变形；同 样，地震造成结构倒塌的原因，在于它激起的反 复的弹塑性变形，超出了结构的滞回延性。因此， 如果通过设计，使结构具有能够适应大震弹塑性 变形的滞回延性，则结构在遭遇大地震时，尽管 可能严重损坏，但结构抗震设防的最低目标 免于倒塌破坏，却始终能得到保证。这种思想即 为延性抗震设计的基本思想。 + 从能量的观点看，结构延性抗震设计的基本原理， 是将结构部分构件设计成具有较好的滞回延性， 在预期的地震动作用下，通过延性构件发生的反 复弹塑性变形循环耗散掉大量的地震输入能量， 从而保证结构的抗震安全。 + 必须指出的是，延性抗震在经济上的优势是以结 构出现一定程度的损坏为代价的。这也是延性抗 震设计的一个主要缺陷。 + 要保证延性结构在大震下以延性的形式反应，能 够充分发挥延性构件的延性能力，就必须确保不 发生脆性的破坏模式 (如剪切破坏 )，以及防止脆性 构件和不希望发生非弹性变形的构件发生破坏。 要达到这一目的，就要采用能力设计方法进行延 性抗震设计。这一方法，目前正逐渐为世界各国的规范所接受。 + 能力保护设计原则的基本思想在于 :通过设计，使 结构体系中的延性构件和能力保护构件形成强度等级差异，确保结构构件不发生脆性的破坏模式。 + 1)在概念设计阶段，选择合理的 结构布局 ； + 2)确定地震中预期出现的弯曲 塑性铰的合理位置 ，并保证结构能形成 一个适当的塑性耗能机制； + 3)对潜在塑性铰区域，通过计算分析或估算建立截面“弯矩一转角” 之间的对应关系；然后利用这些关系确定 结构的位移延性和塑性铰区截面的预期抗弯强度 ； + 4)对选定的 塑性耗能构件 ，进行抗弯设计； + 5)估算塑性铰区截面在发生设计预期的最大延性范围内的变形时，其 可能达到的最大 抗弯强度 ； + 6)按塑性铰区截面的弯曲超强强度，进行塑性耗能构件的 抗剪设计 以 及能力保护构件的强度设计； + 7)对塑性铰区域进行细致的 构造设计 ，以确保潜在塑性铰区截面的延 性能力。 + 8）对于脆性构件或不希望出现塑性变形的构件，确保其 强度安全 等 级高于包含塑性铰的构件 小震不坏；中震可修；大震不倒 由于地震作用与结构本身的特性密切相关且由于钢 筋混凝土结构的弹塑性性能，单纯提高结构的强度 以保证大震不倒是不经济也是不科学的，应该在保 证结构具有足够强度的同时，使其在超过弹性后具 有足够的变形能力来吸收和耗散地震能 结构（或构件）超过弹性后的变形能力即为结构（或构件）的延性 在结构抗震设计中，“结构延性”这个术语实际上有以下 层含义： 结构总体 延性：一般用结构的“顶点侧移比”或结构的“平均 层间侧移比”来表达； 结构 楼层 延性：以一个楼层的层间侧移比来表达； 构件 延性：指整个结构中某一构件（一榀框架或一片墙体）的 延性； 杆件 延性：指一个构件中某一杆件（框架中的梁或柱，墙片中 的连梁或墙肢）的延性。 一般而言，在结构抗震设计中，对结构中重要 构件 的延性 要求，高于对结构 总体 的延性要求；对构件中 关键杆件 或部 位的延性要求，又高于对整个构件的延性要求 。 要使建筑物在遭遇强烈地震时具有很强的抗倒塌能力，最 理想的是使结构中的所有构件及构件中的所有杆件均具有较 高的延性，然而，实际工程中很难完全做到这一点。 比较经 济有效的办法是，有选择地重点提高结构中的重要构件以及 某些构件中关键杆件或关键部位的延性。 其原则是： （）在结构的竖向，应该重点提高楼房中可能出现塑性变形 集中的相对柔弱楼层的构件延性。 提高延性的重点楼层 （ a）大底盘建筑；（ b）框托墙结构体系 （ 2 ）在平面位置上，应该着重提高房屋周边转角处、平面 突变处以及复杂平面各翼相接处的构件延性。对于偏 心结构，应加大房屋周边特别是刚度较弱一端构件的延 性。 （ 3 ）对于具有多道抗震防线的抗侧力体系，应着重提高第 一道防线中构件的延性。 （ 4 ）在同一构件中，应着重提高关键杆件的延性。 （ 5 ）在同一杆件中，重点提高延性的部位应该是预期该构 件地震时首先屈服的部位。 在罕遇地震作用下要求结构处于弹性状态是不必要，也是不经济的。通常是 在中等烈度的地震作用下允许结构某些构件屈服，出现塑性铰，使结构刚度 降低，塑性变形加大。当塑性铰达到一定数量后，结构会出现屈服现象，即 承受的地震作用力不增加或增加很少，而结构变形迅速增加。 延性结构的荷载位移曲线 延性框架的概念 左图为延性结构的荷载位 移曲线， 延性结构即是能维 持承载能力而又具有较大塑 性变形能力的结构。 结构延性能力通常用顶点水 平位移延性比来衡量。 延性比定义： u/y 其中： y 结构屈服时的 顶点位移； u 能维持承载能 力的最大顶点位移。 延性结构在结果中等烈度的地震作用后，加以修复任可以重新使用，在罕 遇地震下也不至于倒塌。符合抗震设计的“三水准”要求，因此在地震区都应 该设计延性结构。经过合理设计，钢筋混凝土框架可以达到较大的延性，称为 延性框架结构。 框架顶点水平位移是由各个杆件的变形形成的。当各杆件都处于弹性阶段 时，结构变形是弹性的。当杆件屈服后，结构就出现塑性变形。框架中，塑性 铰可能出现在梁上，也可能出现在柱上，因此，梁、柱构件都应由良好的延性 。 构件的延性以构件的变形或塑性铰转动能力来衡量，称为构件位移延性比 f fu /fy 或截面曲率延性比 u / y 。 延性结构的要求和分析 1要保证框架结构有一定的延性，梁、柱构件需要具有足够的延性，钢筋混 凝土构件的剪切破坏是脆性的，或者延性很小。因此，构件不能过早剪坏； 2框架结构中，塑性铰出现在梁上比较有利，如图所示： 3塑性铰出现在柱中的时候，很容易形成破坏机构，如图所示： 4延性框架，不仅要保证梁、 柱构件必须具有延性外，还必须保证各构件的 连接部分 节点区不出现脆性剪切破坏，同时还要保证支座连接和锚固不发 生破坏。 1强柱弱梁 要控制梁、柱的相对强度，使塑性铰首先在梁端出现，尽量避免和减少柱子 中的塑性铰； 2强剪弱弯 对于梁、柱构件，要保证构件出现塑性铰而不过早剪坏，因此，要使构件抗 剪承载力大于塑性铰抗弯承载力，为此要提高构件的抗剪承载力； 3强节点、强锚固、弱构件 要保证节点区和钢筋锚固不过早破坏，不在梁、柱塑性铰充分发挥作用前破 坏。 注意：上述抗震措施要点，不仅适用于延性框架，也适用于其它钢筋混凝土 延性结构。 影响框架柱延性的主要因素 1剪跨比 2轴压比 n 3箍筋配筋率 v 影响钢筋混凝土柱破坏形态的主要因素是剪跨比。剪跨比 是反映 柱截面承受的弯矩和剪力相对大小的一个参数，表示为 M/Vhc cc h H Vh M 2 0 轴压比也是影响钢筋 混凝土柱破坏形态和 延性的一个重要参数 ，定义为 cc n fA N c yv vv f f 框架柱的箍筋有三个作用：抵抗剪力，对混凝土提供约束 ，防止纵 筋压屈。 改善构件延性的途径 1.控制构件的破坏形态 结构延性和耗能的大小，决定于构件的破坏形态及其塑化过程。 弯曲构件的延性远远大于剪切构件的延性。 . 减小杆件轴压比 就框架体系而论，柱的延性对于耗散输入的地震能量，防止框架 的倒塌，起着十分重要的作用，而轴压比又是影响钢筋混凝土柱 延性的一个关键性因素。所以，在结构设计中，确定柱、墙肢等 轴压和压弯构件的截面尺寸时，应该控制其轴压比值。 .高强混凝土的应用 设计中应该注意，采用高强混凝土时，还应适当降低剪压比。 4 .钢纤维混凝土的应用 5 .型钢混凝土的应用 延 性 Mu My y M O u 反映截面、构件、结构钢 筋屈服以后的变形能力 以截面为例：用延性系数表示截面 的延性 u y 21 ss AA y cu u1 u2 As1 As2 cu y As1 As2 y1 y2 21 uu 21 yy 1212 12 uu yy 结构的 延性 取决于 构件的 延性 取决于 截面的 延性 取决于 配筋量 位移延性系数 u / y 结构的极 限位移 结构的屈 服位移 梁柱截面的弯曲延性 Ass M y u M N s Ass c c u/ y 截面的极 限曲率 截面的屈 服曲率 材料强度 、 配筋对梁柱截面的弯曲延性的影响 *在正常配筋的条件下，梁截面的曲率延性系数一般均小于 30 *混凝土的强度越高，梁截面的延性越好；钢筋的强度越高，梁截面 的延性越差 *配置受压钢筋可以提高截面的延性 *受拉钢筋的含量越高，截面的延性越差，但当截面受拉钢筋的配筋率大于 0.02 时，截面延性减小的速度趋于平缓 圆箍或螺旋箍筋对柱截面的弯曲延性的影响 约束混凝土 土 fcc fc0 O c0 2c0 sp cc cu 环箍断裂 Ec Esec 非约束混凝土 矩形柱 圆柱 1 圆柱 2 构件 截 面 纵 筋 箍 筋 M (kN-m) 900 750 600 450 300 150 0 5 10 15 20 25 30 (10-6) 矩形柱 圆柱 2 圆柱 1 N=2413kN, fc=19.5Mpa 820 820 820 8200 8200 1080 600700 D 731 D 731 谢谢