地震作用下結(jié)構(gòu)的性能

1、地震作用下混凝土結(jié)構(gòu)的性能,同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院建筑工程系顧祥林,一、地震對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的危害,1995年日本阪-神大地震的震害統(tǒng)計(jì)結(jié)果（1626幢鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋）,一、地震對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的危害,面臨的問(wèn)題,*如何分析結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)？,*如何保證結(jié)構(gòu)大震不倒？,二、地震作用下混凝土結(jié)構(gòu)的破壞特征,底層破壞,*較普遍的破壞形式。對(duì)底層大空間的高層建筑，由于底層相對(duì)較弱；對(duì)于多層建筑，由于底層承受的地震剪力最大，一般均發(fā)生此類(lèi)破壞。,*1995年阪神地震后，據(jù)西宮、民崎、伊丹和寶家市的調(diào)查，在34棟倒塌、嚴(yán)重破壞的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，有30棟是底層破壞。,二、地震作用下混凝土結(jié)構(gòu)的破壞特征,中間層破

2、壞,*對(duì)有剛度突變、結(jié)構(gòu)布置不合理、有軟弱層的結(jié)構(gòu)，會(huì)發(fā)生這種破壞。,*對(duì)剛度和質(zhì)量分布較均勻的結(jié)構(gòu)，在高階振型的作用下也會(huì)發(fā)生此種破壞。,*阪神大地震時(shí)，神戶(hù)市中央?yún)^(qū)三宮附近至少有10幢房屋屬這種破壞，這些房屋多為寫(xiě)字樓,610層，破壞的層次為36層，且各層均具有相同的平面形狀。1990年菲律賓呂宋島地震時(shí)很多房屋也出現(xiàn)過(guò)類(lèi)似的破壞。,二、地震作用下混凝土結(jié)構(gòu)的破壞特征,疊餅式的坍塌,* 柱子或墻體較弱，破壞后各層樓板重疊坍塌。,*當(dāng)柱子的截面尺寸沿房屋高逐漸減小時(shí)，結(jié)構(gòu)很容易發(fā)生疊餅式的坍塌。1985年墨西哥地震和1995年阪神地震時(shí)出現(xiàn)過(guò)多起這種破壞形式。,二、地震作用下混凝土結(jié)構(gòu)的破壞

3、特征,底層或中間層破壞引起的整體倒塌,*由于底層或中間某些重要構(gòu)件破壞而使上部結(jié)構(gòu)倒塌。,*1990年菲律賓棉呂宋島地震時(shí)，該島碧瑤的一賓館（Hyatt Terrace Hotel in Baguio）整體倒塌13-2。1976年唐山地震時(shí)，天津堿廠蒸吸塔工程13層高的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)7層以上全部倒塌。,二、地震作用下混凝土結(jié)構(gòu)的破壞特征,整體坍塌,*框架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生足夠的梁鉸后，形成的側(cè)移機(jī)構(gòu)而引起的倒塌。,*雖然這種破壞的破壞程度較重，但是，結(jié)構(gòu)坍塌以前要經(jīng)歷較大的塑性變形，結(jié)構(gòu)具有良好的延性性能和耗能能力。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)一般都希望結(jié)構(gòu)出現(xiàn)此類(lèi)破壞。,三、鋼筋混凝土構(gòu)件的抗震性能 1. 鋼筋混凝

4、土柱,三、鋼筋混凝土構(gòu)件的抗震性能 1. 鋼筋混凝土柱,三、鋼筋混凝土構(gòu)件的抗震性能 2. 鋼筋混凝土墻體,三、鋼筋混凝土構(gòu)件的抗震性能 3. 鋼筋混凝土梁-柱節(jié)點(diǎn),四、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)延性分析 1. 延性的基本概念,小震不壞；中震可修；大震不倒,由于地震作用與結(jié)構(gòu)本身的特性密切相關(guān)且由于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的彈塑性性能，單純提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度以保證大震不倒是不經(jīng)濟(jì)也是不科學(xué)的，應(yīng)該在保證結(jié)構(gòu)具有足夠強(qiáng)度的同時(shí)，使其在超過(guò)彈性后具有足夠的變形能力來(lái)吸收和耗散地震能,結(jié)構(gòu)（或構(gòu)件）超過(guò)彈性后的變形能力即為結(jié)構(gòu)（或構(gòu)件）的延性,四、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)延性分析 1. 延性的基本概念,延性系數(shù), u / y,結(jié)構(gòu)的極

5、限位移,結(jié)構(gòu)的屈服位移,四、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)延性分析 1. 延性的基本概念,抗震設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)延性系數(shù)的要求,認(rèn)為在相同地震作用下，這兩種結(jié)構(gòu)達(dá)到的最大撓度相同,認(rèn)為兩個(gè)結(jié)構(gòu)體系達(dá)最大撓度時(shí)所儲(chǔ)存的變形勢(shì)能相同,彈塑性水平地震作用與彈性水平地震作用的比值,四、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)延性分析 1. 延性的基本概念,抗震設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)延性系數(shù)的要求,兩點(diǎn)認(rèn)識(shí)： 11) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，若地震作用的取值小于彈性水平地震作用，就要求有足夠大的延性系數(shù)與之對(duì)應(yīng)； 22) 若地震作用相同，結(jié)構(gòu)的延性系數(shù)越大，安全儲(chǔ)備亦越大。,目前大多數(shù)國(guó)家的設(shè)計(jì)規(guī)范考慮到混凝土結(jié)構(gòu)的塑性性能，其水平地震作用的標(biāo)準(zhǔn)值都小于彈性水平地震作用的反應(yīng)值。

6、根據(jù)二者的比值R可以估算出結(jié)構(gòu)所需的延性系數(shù)，一般地取35,四、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)延性分析 2. 框架結(jié)構(gòu)的延性,梁柱截面的彎曲延性, u/ y,截面的極限曲率,截面的屈服曲率,四、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)延性分析 2. 框架結(jié)構(gòu)的延性,材料強(qiáng)度、配筋對(duì)梁柱截面的彎曲延性的影響,四、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)延性分析 2. 框架結(jié)構(gòu)的延性,材料強(qiáng)度、配筋對(duì)梁柱截面的彎曲延性的影響,*在正常配筋的條件下，梁截面的曲率延性系數(shù)一般均小于30,*混凝土的強(qiáng)度越高，梁截面的延性越好；鋼筋的強(qiáng)度越高，梁截面的延性越差,*配置受壓鋼筋可以提高截面的延性,*受拉鋼筋的含量越高，截面的延性越差，但當(dāng)截面受拉鋼筋的配筋率大于0.02時(shí)，

7、截面延性減小的速度趨于平緩,四、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)延性分析 2. 框架結(jié)構(gòu)的延性,軸向力對(duì)梁柱截面的彎曲延性的影響,比較圖中的結(jié)果可知，柱截面的曲率延性系數(shù)遠(yuǎn)小于梁截面的曲率延性系數(shù)，且隨著軸向壓力的增加，延性不斷降低,四、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)延性分析 2. 框架結(jié)構(gòu)的延性,圓箍或螺旋箍筋對(duì)柱截面的彎曲延性的影響,四、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)延性分析 2. 框架結(jié)構(gòu)的延性,位移延性系數(shù)與曲率延性系數(shù)間的關(guān)系-簡(jiǎn)化分析方法,假定只受水平荷載的懸臂鋼筋混凝土柱在彈性區(qū)段和彈塑性區(qū)段的曲率均為線性分布。應(yīng)用共軛梁法可求出該柱的柱頂位移：,塑性鉸區(qū)段的長(zhǎng)度,柱的高度,四、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)延性分析 2. 框架結(jié)構(gòu)的延性,位移

8、延性系數(shù)與曲率延性系數(shù)間的關(guān)系-簡(jiǎn)化分析方法,取4,截面的曲率延性系數(shù)大于相應(yīng)的柱的位移延性系數(shù)，即要使柱達(dá)到所希望的位移延性必須有更好的截面曲率延性來(lái)保證；對(duì)于矮而寬的短柱（或鋼筋混凝土剪力墻），曲率延性系數(shù)和位移延性系數(shù)卻有相同的數(shù)量級(jí),四、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)延性分析 2. 框架結(jié)構(gòu)的延性,位移延性系數(shù)與曲率延性系數(shù)間的關(guān)系-簡(jiǎn)化分析方法,對(duì)于水平側(cè)向荷載作用下的多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，假定：,*桿件各截面均有二折線的彎矩曲率關(guān)系,*只考慮構(gòu)件的彎曲變形,*全部臨界截面處的屈服現(xiàn)象都在同一荷載下開(kāi)始，而且有足夠多的截面出現(xiàn)塑性鉸以形成機(jī)構(gòu),*框架承受線性分布的倒三角形荷載,四、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)延

9、性分析 2. 框架結(jié)構(gòu)的延性,位移延性系數(shù)與曲率延性系數(shù)間的關(guān)系-簡(jiǎn)化分析方法,當(dāng)荷載增至恰好使框架屈服時(shí)，一根典型柱子的曲率分布如圖所示,四、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)延性分析 2. 框架結(jié)構(gòu)的延性,位移延性系數(shù)與曲率延性系數(shù)間的關(guān)系-簡(jiǎn)化分析方法,lc,若10, 2= =n=0.5，則有,四、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)延性分析 2. 框架結(jié)構(gòu)的延性,位移延性系數(shù)與曲率延性系數(shù)間的關(guān)系-簡(jiǎn)化分析方法,若結(jié)構(gòu)的第i層是薄弱層，結(jié)構(gòu)將會(huì)出現(xiàn)圖所示的破壞機(jī)構(gòu),薄弱層中各個(gè)柱鉸處的容許塑性轉(zhuǎn)動(dòng)角為：,四、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)延性分析 2. 框架結(jié)構(gòu)的延性,位移延性系數(shù)與曲率延性系數(shù)間的關(guān)系-簡(jiǎn)化分析方法,對(duì)于鋼筋混凝土柱來(lái)說(shuō)如此

10、大的截面延性一般很難滿(mǎn)足,四、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)延性分析 2. 框架結(jié)構(gòu)的延性,位移延性系數(shù)與曲率延性系數(shù)間的關(guān)系-簡(jiǎn)化分析方法,對(duì)于“強(qiáng)柱弱梁”形的框架結(jié)構(gòu)（即梁鉸型的側(cè)移機(jī)構(gòu)）可以作出類(lèi)似的分析。結(jié)果表明，相應(yīng)于4，梁鉸處截面的曲率延性系數(shù)為,對(duì)鋼筋混凝土梁截面來(lái)說(shuō)，滿(mǎn)足這樣的要求是可以做到的。由此可以看出在鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)中強(qiáng)調(diào)“強(qiáng)柱弱梁”的理由,四、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)延性分析 2. 框架結(jié)構(gòu)的延性,位移延性系數(shù)與曲率延性系數(shù)間的關(guān)系-精確分析方法,鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的位移延性系數(shù)和構(gòu)件截面的曲率延性系數(shù)間的關(guān)系是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題。即使是水平單調(diào)加載，由于結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分布，截面也處

11、在不斷地“加載”和“卸載”的動(dòng)態(tài)過(guò)程中。水平荷載作用下結(jié)構(gòu)的破壞過(guò)程實(shí)際上是構(gòu)件中塑性鉸出現(xiàn)消失又出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。因此，要作精確的延性分析必須借助于計(jì)算機(jī)仿真分析技術(shù),單調(diào)水平加載時(shí)的計(jì)算機(jī)仿真分析,地震波直接作用下的計(jì)算機(jī)仿真分析,四、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)延性分析 2. 框架結(jié)構(gòu)的延性,結(jié)構(gòu)延性設(shè)計(jì)的步驟,四、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)延性分析 2. 框架結(jié)構(gòu)的延性,GB50010及ACI318規(guī)范保證梁柱截面延性的構(gòu)造措施,我國(guó)的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50010）規(guī)定，梁端截面必須配置受壓鋼筋A(yù)s，其配筋量應(yīng)滿(mǎn)足： 一級(jí)抗震等級(jí) 二、三級(jí)抗震等級(jí) 同時(shí)限制混凝土受壓區(qū)的高度以保證梁截面的延性，具體要求是：

12、 一級(jí)抗震等級(jí) 二級(jí)、三級(jí)抗震等級(jí),四、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)延性分析 2. 框架結(jié)構(gòu)的延性,GB50010及ACI318規(guī)范保證梁柱截面延性的構(gòu)造措施,美國(guó)房屋建筑設(shè)計(jì)規(guī)范(ACI31895)也有類(lèi)似的規(guī)定：梁頂和底部鋼筋的配筋率（As/bd及As/bd）均不得超過(guò)0.025，并且通常取As/bd0.015；梁中受壓鋼筋的用量至少為受拉鋼筋的一半即s0.5s,另外，GB50010和ACI31895均規(guī)定在梁端的一定范圍內(nèi)對(duì)箍筋進(jìn)行加密以達(dá)到約束核心區(qū)混凝土、避免塑性鉸區(qū)受壓鋼筋壓屈、且能提供足夠的抗剪強(qiáng)度的目的,四、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)延性分析 2. 框架結(jié)構(gòu)的延性,GB50010及ACI318規(guī)范保證梁柱截面延性的構(gòu)造措施,*GB50010采用限制截面尺寸(柱截面的寬度300mm，柱凈高與截面高度或圓柱直徑之比不宜小于4)，限制軸壓比以及加密柱端箍筋的方法來(lái)保證柱截面的延性,*ACI31895主要是通過(guò)限制截面尺寸和設(shè)置約束箍筋的方法來(lái)保證柱截面的延性。柱截面的最小尺寸為1