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结构延性泛谈

已有 386 次阅读2015-3-4 22:26 |个人分类:concept&terminology| 新浪博客, 结构工程, 变形, 领域, 能力

结构延性泛谈
2015年3月4日 21:02 新浪博客
http://weibo.com/p/23041841a31cf60102vk2q

2015-03-04土木吧

结构设计中中,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。

来源:http://blog.sina.com.cn/s/blog_8879d3990101cvlm.html

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