钢筋混凝土框架抗震位移延性系数研究

[文章编号] 1002 8412(2005)03 0002 05

钢筋混凝土框架抗震位移延性系数研究

蔡 健1

,周 靖1

,方小丹

2

(1.华南理工大学建筑学院土木系,广东广州510640; 2.华南理工大学建筑设计研究院,广东广州510640)[摘 要] 综合现有的试验研究成果和模拟分析结果,讨论了影响钢筋混凝土框架柱和框架结构位移延性的因素,指出框架柱的轴压比、配箍特征值、剪跨比和强柱系数是最主要的影响因素。通过对国内150个钢筋混凝土框架柱和框架试验数据的整理和分析,得出位移延性系数的试验结果服从自然对数正态分布,并回归得到考虑多因素的位移延性系数经验公式,该公式可供钢筋混凝土框架结构抗震设计和评估参考。[关键词] 钢筋混凝土;框架结构;抗震;延性[中图分类号] TU375 4 [文献标识码] A

Study on Seismic Displacement Ductility Factor of Reinforced Concrete Frame Structure

Cai Jian 1

,Zhou Qing 1

,Fang Xiao dan 2

(1.College o f Civil Enginee rin g ,South China University o f Technology ,Guang z hou

510640,China ; 2.Institute of Architectu r a l Design and Research ,South China University of Technology ,Guang z hou 510640,China )Abstract :Based on the existing experi mental data and the resul ts of si mulation analysis,the paper discusses the influential factors of seismic displacement ductility and indicates that its main influential factors are the axial compression ratio,stirrup characteristic value,shear span ratio and s trong column factor of frame columns.After treatment and analysis of 150domestic tes t data,probabilistic characteri stics of displacement ductility factor of reinforced concrete frame columns and frames fits natural logarithm normal di stribution and a functional expression is proposed by a statistical regression.This expression can be applied to seismic design and assessmen t of RC frame structures.Keywords :reinforced concrete;frame structure;seismic;ductili ty

[收稿日期] 2005 02 25

[作者简介] 蔡 健(1959~),男,教授,博士生导师,主要从事

钢 混组合结构、钢筋混凝土结构和工程抗震研究

1 前言

在地震地面运动作用下,结构产生往复侧移,地震输入的能量是通过构件的塑性变形来耗散的。结构楼层和构件在循环过程中进入非弹性范围可能发生的最大位移 m 称为位移要求,位移延性需求 则定义为最大位移与屈服位移 y 之比,通常称为位移延性系数或延性系数,如式(1)。另一个位移延性指标是结构或构件的位移延性能力,是指极限位移 u 与屈服位移 y 之比,通常称为位移延性能力系数 u ,如式(2)。

= m y (1) u = u y

(2)

位移延性能力系数是由结构体系的力学性能所

决定的,而位移延性系数虽然也受体系在非弹性反

应中的力学性能影响,但其是由特定的地震地面运动所决定,是结构抗震的位移延性需求。结构抗震设计要求位移延性能力系数 u 大于位移延性系数 ,按极限状态设计时,可取位移延性系数等于位移延性能力系数。

本文以位移延性系数来分析钢筋混凝土(RC)框架和框架柱的延性特征。首先,综合已有的试验研究成果和模拟分析结果讨论影响位移延性的因素,然后综合整理和分析国内的相关试验资料,通过回归的方法,得出关于RC 框架的抗震位移延性系数的试验公式。

2 影响位移延性的因素分析

影响RC 框架位移延性的因素既包含了影响截面和构件延性的因素,也具有其体系的特殊性。全方位、多指标地分析所有的影响因素较为困难,为了尽可能考察更多的因素以及统计分析的简洁,本文

第27卷第3期2005年6月

工程抗震与加固改造

Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting

Vol.27,No 3

Jun.2005

Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting June 2005

引用现有的一些指标或定义新的指标来分析位移延性系数的影响因素。在框架体系中,框架柱作为至关重要的竖向承载构件,在大震下能否维持一定的竖向承载能力和承受最大变形是保证结构不发生倒塌的决定性因素。框架柱的位移延性与框架的位移延性比较相似,因此下面以框架柱或框架体系为对象分析影响位移延性系数的因素。

2.1 轴压比的影响

轴压比是框架柱轴向压力与柱截面面积A和混凝土轴向抗压强度乘积之比值。设计规范通常规定设计轴压比值n,试验中常采用实测轴压比值n k。

n=N f c A(3)

n k=N k f ck A(4)式中,N、N k分别为轴向压力设计值和标准值;f c、f ck分别为混凝土轴向抗压强度设计值和标准值。

轴向压力可近似地取如下关系:

N= G N Gk+ Q N Qk 1 25(N G K+N Qk) 1 25N k

(5)

f c=f ck 1.4(6)式中, G、 Q分别为恒载和活载的分项系数;N Gk、N Qk分别为恒荷载和活荷载。

由式(3)、(4)、(5)、(6)有:

n k=n 1 75(7) 试验研究[1~3]表明,轴压比对框架柱位移延性有显著的影响,是所有影响因素中较重要的因素。在相同配箍特征值和剪跨比的情况下,RC框架柱的延性系数随轴压比的增加而减小。限制轴压比可以使框架柱出现受拉钢筋屈服为先导的大偏心受压破坏,从而保证框架柱有足够的变形能力。

2.2 配箍特征值的影响

试验研究[4,5]表明,体积配箍率、混凝土强度和箍筋强度对框架柱位移延性系数都有一定的影响。在相同轴压比情况下,位移延性系数随配箍率的增加而增加,而随着轴压比的增大配箍率对延性系数的影响逐渐减弱;在其他条件相同的情况下,延性系数随混凝土强度的提高而减小,而随箍筋强度的提高而增大。上述三个因素对位移延性系数的影响无相关性,因此常采用配箍特征值这一综合指标来表现三个因素的共同作用[6~8]。

配箍特征值 v是构件体积配箍率 v、箍筋屈服强度f yv和混凝土轴心抗压强度f c的综合指标,定义如下:

v= v f yv f c(8)

v=(n1A s1l1+n2A s2l2) A cor s(9)式中, v为构件的体积配箍率;n1、n2、A s1、A s2、l1、l2分别为构件截面两个方向的箍筋根数、单根箍筋的截面面积和长度;A cor为核心区混凝土面积;s为箍筋间距。

取混凝土和钢筋的材料分项系数分别为1 4和1 12时,配箍特征值的设计值 v和试验值 v 的关系,根据式(8)有:

v= v 1 25(10) 由于配箍特征值是三个因素的综合,因此其对框架位移延性系数的影响十分显著。试验研究结果[2,8]表明,在轴压比和剪跨比不变的情况下,框架柱位移延性系数随配箍特征值的提高而增大。

2 3 剪跨比的影响

剪跨比 定义为构件截面所承受的弯矩 与对应的剪力V和截面有效高度h0之比,如式(11);框架柱的剪跨比常等效为名义剪跨比,即柱净高H n 与两倍柱截面有效高度h0之比,如式(12)。

=M Vh0(11)

=H n 2h0(12) 剪跨比能反映出截面上弯曲正应力和剪应力的比例关系,是决定框架柱延性破坏还是脆性破坏的主导因素。试验研究表明[9,10],RC框架柱剪跨比越大延性越好。正常配筋条件下, >2时框架柱在水平剪力作用下发生弯曲破坏,对抗震有利; 2时,形成短柱,在水平剪力作用下发生剪切破坏,使框架柱呈脆性破坏,对结构的延性产生不良影响;当剪跨比小于某一临界值时,以箍筋屈服起控制的剪切破坏对剪跨比作用将不敏感[12]。

2 4 强柱系数的影响

RC框架强柱系数 c定义为框架节点处柱端极限弯矩之和 M uc与梁端极限弯矩之和 M ub之比,如式(13):

c= M uc M ub(13) 框架强柱系数 c对RC框架的抗震性能影响较大,这正是世界各国抗震规范采取梁柱承载力级差措施保证 强柱弱梁 破坏机制的重要原因。由于

第27卷第3期蔡 健,等:钢筋混凝土框架抗震位移延性系数研究 3 Earthquake Resistant Engineering and Retrofi tting Vol.27,No.3 2005