钢筋混凝土框架抗震位移延性系数研究
中国规范钢筋混凝土抗震墙延性和位移角的量化研究
中国规范钢筋混凝土抗震墙延性和位移角的量化研究鲁懿虬;黄靓【期刊名称】《地震工程与工程振动》【年(卷),期】2015(35)1【摘要】分析了中国、美国、新西兰规范三种不同钢筋混凝土剪力墙约束箍筋设计方法的内在机理,讨论了三国规范存在的问题。
结果表明,中国规范仅按照轴压比判断是否加约束箍筋的设计方法不合理,使同一抗震等级剪力墙的位移和延性指标不平衡。
美国和新西兰规范是基于位移和延性的设计方法,但其没有考虑剪力墙钢筋拉断的受拉破坏,导致混凝土高度很小时高估了位移和延性能力,而实际位移和延性不能满足要求。
提出了基于修正后的美新规范位移角和延性计算方法,评估了现行中国规范不同的抗震等级、烈度下剪力墙具有的位移和延性能力。
按照中国规范设计剪跨比为4的剪力墙在抗震等级为一级(9度)、一级(6、7、8度)、二三级时,延性指标平均值分别能达到5.1、3.6和2.6,位移角指标能达到1/81、1/129和1/175。
【总页数】8页(P77-84)【关键词】钢筋混凝土;抗震墙;约束箍筋;延性;位移角【作者】鲁懿虬;黄靓【作者单位】湖南大学土木工程学院【正文语种】中文【中图分类】TU375;P315.91【相关文献】1.钢筋混凝土剪力墙结构层间位移角与构件变形的关系研究 [J], 蒋欢军;胡玲玲;应勇2.钢筋混凝土框架抗震位移延性系数研究 [J], 蔡健;周靖;方小丹3.基于量化延性的钢筋混凝土抗震墙约束箍筋设计法 [J], 鲁懿虬;黄靓4.钢筋混凝土抗震墙墙肢约束边缘构件基于弹塑性层间位移角的设计 [J], 钱稼茹;李耕勤5.基于目标位移角设计的T形截面剪力墙抗震性能试验研究 [J], 张微敬;柳超;闫怡雯因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
钢筋混凝土结构抗震延性设计分析
钢筋混凝土结构抗震延性设计分析【摘要】结构抗震的本质就是延性，提高延性可以增加结构抗震潜力，增强结构抗倒塌能力。
钢筋混凝土构件应具有必要的强度、刚度和良好的延性，才能避免构件的脆性破坏。
因此，应该做好延性设计，来防止构件提前破坏。
【关键词】钢筋混凝土结构；结构构件；延性设计0.前言在现代建筑物结构设计中，延性设计越来越重要，钢筋混凝土结构延性的研究是塑性设计和抗震设计理论发展的基础。
在地震作用下，混凝土结构或构件的破坏可分为脆性破坏和延性破坏两种，其中脆性破坏的危害很大，而延性破坏是指构件承载力没有显著降低的情况下，经历很大的非线性变形后所发生的破坏，在破坏前能给人以警示。
结构构件延性设计的目标是使其在一定条件下只耗能，不崩溃。
结构延性的提升能够使整体结构抗倒塌、抗震潜力都得到大幅度提升，借助塑性铰区域变形将地震能量有效耗散与吸收[1]。
对于混凝土构件，除了要满足强度、刚度、稳定性等方面的要求还应具有良好的延性，主要以下原因引起：（1）延性破坏过程；（2）调整和适应动力荷载产生的附加内力和变形；（3）混凝土连续梁板和框架超静定结构塑性设计，要求某些截面能够形成塑性铰，实现内力重分布；（4）抗震设防要求的结构，具有良好的延性，能够吸收和消化地震能量，降低动力反应，减轻地震破坏，防止结构倒塌。
延性设计在实际工程中有重大的意义：第一，采用偏小的计算安全可靠度，破坏前有明显预兆，确保生命安全，减少财产损失；第二，出现偶然超载，荷载反向，温度升高或基础沉降引起附加内力等情况下，有较强的承受和抗衡能力；第三，有利于实现超静定结构的内力重分布。
第四，在承受动力作用下，能减小惯性力，吸收动能，降低动力反应，减轻破坏程度，防止结构倒塌。
因此，延性结构的后期变形能力，可以作为各种意外情况时的安全储备[2]。
1.影响构件延性的因素1.1梁截面尺寸一般框架梁宽度不宜小于200mm，在地震作用下，梁端塑性铰区混凝土保护层容易剥落，梁截面宽度过小则截面损失比较大，不利于对框架节点的约束。
钢筋混凝土抗震结构延性设计分析
钢筋混凝土抗震结构延性设计分析导言我国抗震设计性能目标就是为实现“小震不坏”、“中震可修”、“大震不倒”三大性能为目标。
“小震不坏”就是当建筑遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，一般不受损坏或不需要修理可继续使用；“中震可修”就是当建筑遭受本地区设防烈度地震影响可能损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用；“大震不倒”就是当建筑遭受高于本地区设防烈度的预估的罕遇地震影响时不至倒塌或者发生危机生命的严重破坏。
对于“小震不坏”我国抗震规范用弹性计算，即极限承载力计算和小震下的弹性变形计算来保证实现“小震不坏”的性能目标，对于“中震可修”我国抗震规范着重强调采用抗震措施与抗震构造措施来实现这个性能目标，也就是通过延性设计来保证“中震可修”。
对于“大震不倒”我国抗震规范除了延性设计外，还需要进行罕遇地震下的结构弹塑性变形验算来实现目标。
可见，相对于小震下的弹性计算，我国规范并没有大幅度提高中震与大震作用下的结构构件承载力，我国抗震设计的本质上是低承载力、高延性的设计思路。
下面，就从结构与构件两个方面阐述延性设计的基本思路。
钢筋混凝土建筑结构延性设计影响钢筋混凝土建筑结构延性主要有以下九方面的因素：合理选择结构体系，是否采用多道防线的结构体系，建筑规则性控制，先梁铰后柱铰的结构耗能机制，保证必要的结构刚度限制结构变形。
节点连接的承载力和刚度要与构件的承载力和刚度相适应。
合理考虑承载力与延性关系，在构件设计方面采取有效措施防止过早的剪切、锚固和受压等脆性破坏，地基基础的承载力和刚度要与上部结构相适应并应有足够的抗转动能力。
1.合理选择结构体系对于钢筋混凝土结构，一般说来纯框架结构抗震性能较差；框架－剪力墙结构抗震性能较好；剪力墙结构和筒体结构具有良好的空间整体性，刚度也较大，历次震害中破坏都较小。
2.多道防线的结构体系由于地震有一定的持续时间而且可能是多次作用，为了增强结构的抗倒塌能力，抗震设计应使结构具有多道防线，如框架结构中的梁和柱，框剪结构的连梁、剪力墙和框架，剪力墙结构的连梁和墙肢等，第一道防线是在地震作用下首先进入屈服而进行耗能的主要构件，它们不应该是承受竖向荷载的主要构件但必须具有良好的延性。
钢筋混凝土桥梁延性抗震设计的研究及发展
钢筋混凝土桥梁延性抗震设计的研究及发展朱 日希,弓俊青(北方交通大学土建学院,北京100044)摘 要:介绍了延性抗震设计的概念和方法,对当前钢筋混凝土桥梁延性抗震设计的研究成果进行了综述,并讨论了钢筋混凝土桥梁延性抗震设计方面需要解决的几个问题。
关键词:钢筋混凝土结构;桥梁;抗震设计;延性中图分类号:U 448.34;U 442.55 文献标识码:A 文章编号:1003-4722(2000)-0001-05收稿日期:1999-08-01基金项目:国家自然科学基金资助项目(59978001);铁道部科技发展基金资助项目(99G 41)作者简介:朱 日 希(1937-),男,教授,1958年毕业于唐山铁道学院桥梁隧道专业,1986～1988年美国L eh ish 大学访问学者,1994年美国L eh ish 大学高级访问学者。
1 引 言结构在强烈地震作用下,大部分将进入弹塑性变形阶段,与弹性变形相比,过大的塑性变形会使结构开裂,混凝土脱落,甚至破坏;但另一方面,由于弹塑性阶段的结构刚度降低,结构自振周期增大,改变了结构的地震反应特性,非弹性的不可恢复变形可以耗散输入的地震能量,从而减小地震对结构的作用;在非线性状态下,结构是否破坏将取决于塑性变形能力或耗散能量的能力,而不取决于强度,强度条件并不能恰当地估价结构的抗震能力。
如何有效地利用结构非线性变形的耗能能力,同时结构又不会产生过大的强度损失和过大的塑性变形,避免开裂太大而不易修复或破坏,就必须对结构的弹塑性变形特性及破坏机理作深入的研究,进行结构延性抗震设计,以减轻甚至避免震害的产生。
在近年来发生的几次大地震中,桥梁结构的震害严重,如1971年圣费尔南多地震中,许多新建桥梁遭到不同程度的破坏。
在1976年我国唐山大地震中,桥梁大多毁坏或严重破坏,在7至11度区内的130座桥梁中,完好或基本完好的仅占25.38%;同样在1994年诺斯里奈地震和1995年阪神大地震中,许多高架桥严重破坏,直接与间接经济损失巨大。
钢筋混凝土桥墩位移延性系数概率分析
ｃ ｏ ｌ ｕ ｍｎ ｓ，ａ ｌ ｏ ｎｇ ｗｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｅ ｘ ｐ ｌ ｉ ｃ ｉ ｔ ｌ ｙ ｐｈ ｙ ｓ ｉ ｃ ａ ｌ ｄ ａ ｍａ ｇ ｅ ｓ ｔ ａ ｔ ｅ ｏ ｆ ＲＣ ｂ ｉｄｇ ｒ ｅ ｃ ｏ ｌ ｕｍｎ ｓ ． Ｏｎ ｔ ｈ ｅ ｂ ａ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｑ ｕａ ｓ ｉ — ｓ ｔ ａ ｔ ｉ ｃ ｔ ｅ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｕｌ ｔ ｓ ｏ ｆ １ ８３
ｒ ｅ ａ ｃ ｈｉ ｎ ｇ ｍｕ ｈｉ ｐｌ ｅ ｐｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｎ ｃ ｅ ｌ ｅ ｖ ｅ ｌ ｓ ｉ ｎ ｓ ｔ ｕｃ ｒ ｔ ｕｒ ａ ｌ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎｔ ｓ ． Ｆｏ ｕ ｒ ｓ ｅ ｉ ｓ ｍｉ ｃ ｐｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｎ ｃ ｅ ｌ ｅ ｖ ｅ ｌ ｓ ａ ｒ ｅ ｄ ｅ ｉｎ ｆ ｅ ｄ ｆ ｏ ｒ ｔ ｈｅ ｃ ａ ｐ ａ ｃ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ ＲＣ ｂｒ ｉ ｄｇ ｅ
筋 混 凝 土 桥墩 抗 震 性 能 水 平 划 分 为 四 个 等 级 ， 并 从 桥 墩 物 理 损 伤 角 度 给 出 各 性 能 水 平 的控 制 条 件 。基 于 １ ８ ３个 矩 形 和 ７ ７个
圆形 桥墩 拟静 力试 验结 果 ， 采用统计分析的方法得到各性能水平下位移延性 系数统计特征 值。采用 Ｋ — ｓ方 法 ， 对 位 移 延 性 系
浅谈框架结构的抗震性能
浅谈框架结构的抗震性能【摘要】钢筋混凝土框架结构经过合理设计具有良好的抗震性能，主要靠延性来抵抗较大地震作用下的非弹性变形。
本文分析了结构延性在抗震设计中的重要性及其作用，影响结构延性的主要因素以及结构延性的抗震设计。
【标签】延性；脆性破坏；塑性破坏；配筋计算；抗震设计地震灾害具有突发性，至今可预见性仍然很低，它给人类社会的物质、精神财富造成巨大损失，是各类自然灾害中最严重的灾害之一。
众所周知的“5.12四川汶川8.0级特大地震”，虽已过去几年了，但听起来我们仍心有余悸。
从那一幕幕惨痛中走出来，阴霾仍笼罩着我们，激励我们从自身查找原因，除了提高我们的防震逃生意识，离我们最近的就是建筑物的抗震设计了，它包括结构形式、抗震性能、安全可靠度、施工质量等等一系列原因。
作为结构设计人员，我们应该严格执行国家抗震设计标准规范，从抗震措施入手，全面提高建筑抗震水平。
根据我国现有的科学水平和经济条件，对抗震提出了“小震不坏，中震可修，大震不倒”的基本要求，我们要把这些要求融入设计，真正达到“三个水准”的设防目标。
一、结构在地震下的主要特点地震以波的形式从震源向周围快速传播，通过岩土和地基，使建筑物的基础和上部结构产生不规则的往复振动和激烈的变形。
结构发生的相应运动称为地震反应，同时，结构内部发生很大的内力（应力）和变形，当它们超过了材料和构件的各项极限值后，结构将出现各种不同程度的破壞现象，例如混凝土裂缝，钢筋屈服，显著的残余变形，局部的破损，碎块或构件坠落，整体结构倾斜，甚至倒塌等等。
钢筋混凝土结构在地震作用下受力性能的主要特点有：（a）结构的抗震能力和安全性，不仅取决于构件的（静）承载力，还在很大程度上取决于其变形性能和动力响应。
变形较大，延性好的结构，能够耗散更多的地震能量，地震的反应就减小，损伤轻而更为安全。
相反，静承载力大的结构，可能因为刚度大、重量大、延性差而招致更严重的破坏。
（b）当发生的地震达到或超出设防烈度时，按照我国现行规范的设计原则和方法，钢筋混凝土结构一般都将出现不同程度的损伤。
钢筋混凝土框架结构震害分析及延性设计的重要性
柱 破 坏 的 原 因 有 多 方 面 的 ， 纳 为 以下 几 点 ： １ 箍 筋 的 归 （）
图 ６ 柱 上 端 钢 筋 外露 、 凝 土 压碎 混
柱 端 加 密 程 度 不 够 甚 至 未 加 密 ， 箍 筋 直 径 较 小 ， 以 约 束 或 难 主筋 发生 较 大 变 形 ；２ 梁 端 配 筋 多或 柱 主筋 配筋 较 小 ， 柱 （） 使 承 载 能 力 较 小 ， 大 震 下 柱 的 层 间 位 移 较 大 ， 于 梁 端 出现 在 先
图 ２ 端 墙 整 体 倒 塌
土压碎， 筋外露 ， 重时甚至屈 曲， 纵 严 箍筋 扭 曲 （ ７ 。 图 ）
・ ４７ ・
■ 建 筑 与 装 修
翘 嫒 建 崭
２ 破 坏 原 因 分 析
２ １ 填 充 墙破 坏 的 原 因 ．
２１ ０盘 １
由于 框 架 是 剪 切型 变 形 。 部 层 问 位 移 大 ， 充 墙 震 害 下 填 呈 现 “ 重 上 轻 ” 现 象ｌ 下 的 Ｉ 架 结 构 是 柔性 结 构 ， 填 充 墙是 Ｉ 。框 而 刚 性 结 构 ． 体 受 承 载 力 低 ， 形 能 力 小 ． 地 震 作 用 下 二者 墙 变 在 的 变 形不 一 致 ， 此 墙 体 与 框 架 缺乏 有 效 地 拉 结 ， 往 复 变 因 在
没 有 达 到 预 期 设 计 时 的要 求 ． 破 坏 主 要 表 现 在 以下 几 个 方 其
图 １ 填 充 墙 产 生 交 叉 斜 裂 缝
面。ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
（） 架结构本 身存在的短柱 或由其他构件 （ 窗下墙 ） １框 如
使 长 柱 而 变 成 的 短 柱 ． 发 生 剪 切 破 坏 。一 般 是 在 中上 部 发 易 生 断 裂 ， 斜 向 裂 缝 ； 部 出 现 错 移 ， 凝 土 剥 落 ， 筋 外 露 为 下 混 钢
钢筋混凝土构件的延性与抗震
10.1.4位移延性系数
位移延性系数是结构或构件达到极限状态
时的总位移 u与其刚开始时位移y 之比，可表
示为：
u y
式中总位移u 等于屈服时的位移y 与屈服后所
产生的塑性位移 p 之和，即
u y p
下面以简单的竖向悬臂结构为例，导出屈服位移和极 限位移的计算方法，给出位移延性系数的表达式(图10-6)
螺旋箍筋对核芯区产生均匀分布的侧向压力，使混凝土处于
三向受压状态；矩形箍筋只对角隅处混凝土产生有效约束，
侧面混凝土有外凸的趋势，约束作用降低。因此配有螺旋箍
箍筋的构件，其延性好于配有矩形箍筋的构件。
也可以通过增加箍筋之间拉结改善核芯区混凝土约束条
件。另外箍筋间距对构件延性有着明显的影响，箍筋间距较
小的构件有着较高的延性。
极限变形 Du通常取最大荷载值持续到混凝土达极限压应变开始 卸载时的变形值，此变形对应的荷载值往往小于最大荷载。确定 Du 方法有两种，取最大承载力的0.85倍所对应的点为U点，或者取混凝
土达到极限压应变 cu =0.0033~0.0040所对应的点为U点。
10.1.3截面曲率延性系数
受弯构件适筋梁开始屈服和到达截面最大承载力时的截面应变及应 力分布图如图10-5所示。
D Du Dy
式中，Du 为截面或构件承载力没有明显降低情况下的极限变形；
Dy 为截面或构件开始屈服时的屈服变形。 图10-2为施力后理想弹塑性变形曲线，可以很方便地找到屈服
点Y和极限点U，从而确定 Dy 和 Du ，但钢筋混凝土构件不存在
理想的力—变形曲线。
确定Dy 常采用能量等值法和几何作图法,分别如10-3和10-4图所示。
滞回曲线充分反映了构件强度、刚度、延性 和耗能能力等方面的力学特征，是分析钢筋混凝 土结构抗震性能的重要依据。滞回环丰满程度及 所围面积表征构件耗能能力，在三种典型的滞回 曲线中，梭形耗能能力最强，弓形次之，反S形最 差。
钢筋混凝土框架结构延性抗震设计分析
混 凝 土 制 品 与 技 术
坏。
值 时 ， 框 架柱 变形 能力 的提 高就 不 明显 了 ， 对 如果 纵
向钢筋配筋 率过 大 ， 会使 柱子产 生剪切 破坏 或粘结 破 ｆ 箍筋 。它 能有效改 善混凝 土 的受力 性能 ， 高 ５ ） 提
上 海建 材
（ 梁配筋 。 ２ １ 配置一定 数量 的受压 钢筋可 以减小混
（ 梁截 面尺寸 。框架 梁宽 度不宜 小于 ２ ０ ｍ， １ ） ０ ｍ 在 地震作 用下 ，梁端 塑性 铰 区混凝 土保护 层容 易剥 落 ，
梁截 面宽度过 Ｊ ￣ 截 面损失 比较 大 ， ｌｌ ，ｌ 不利 于对 框架 节
ｆ 纵 向钢筋 配筋率 。从工程 实践 中得 知 ， ４ ） 增大 纵 向钢 筋配筋 率对框 架柱是 有利 的 ， 在一 定程 度上能 提
科
技
前
钢筋 混凝 土框 架 结构延 性 抗震 设计 分析
武汉 工程 大学环境 与城市建设 学院 谭 皓 陈朝娟
沿
新
闻
信 １ 框 架结构 延性 的抗 震性 能
息
发生下部 钢筋 的过早屈服 甚至拉 断 。 高梁端下部 纵 提 向钢筋 的数 量 ， 有助于 改善梁 端塑性 铰 区在负 弯矩 也 作 用下 的延性性 能 。 在梁端 塑性 铰区段加 密箍筋 可以
铰转 动能力 。 ２２ 柱 是框架 结构 中主要 的受力构 件之一 ．
在框 架 柱 的设 计 中应 该 遵循 “ 强柱 弱 梁 ” 的设 计
的框架结构 在地震 作用下会 产生 比较严重 的震 害 。 结
构抗 震 的本 质就是廷 性 ， 延性 是指 构件 和结构 屈 服之 后 ， 承载 能力 基本 不 降低 的情 况 下 ， 在 具有 足 够塑 性
钢筋混凝土构件的延性与抗震
3.压弯构件滞回性能 钢筋混凝土柱主要承受轴力， 弯矩，剪力作用，根据剪跨 比的不同可分为长住和短柱。
长柱的滞回性能受到纵向配
筋率，轴压比，配箍率等因 素影响。短柱受有剪力，轴
压弯构件的实验滞回曲线
力和弯矩作用，短柱在水平剪力的反复作用下可能发生剪切 破坏，在柱身形成交叉裂缝，随着荷载增加，构建突然破坏。
二.影响因素 影响钢筋与混凝土之间粘结强度的因素很多，其中主要有 混凝土强度，保护层厚度及钢筋间距，横向配筋及侧向压
力，钢筋直径和外形等。
钢筋与混凝土的粘结强度随混凝土强度等级提高而增大， 但不与混凝土立方体强度成正比。
钢筋的保护层厚度是指钢筋外皮至构件表面的最小距离， 钢筋外围的混凝土保护层太薄，钢筋受力时可能使外围混 凝土产生径向劈裂而使粘结强度下降。
限压应变时的截面受压区相对高度
影响构件延性的因素
• 纵向配筋率
• 轴力 • 约束构件延性
二.反复荷载下钢筋混凝土构件的延性
低周反复加载试验的加载制度： 1.控制作用力加载
通过控制施加于构件上的作用力大小来实现低周反复加载的要求 用来研究构件承载力特征
2.控制位移加载
加载过程中以位移为加载控制值 广义位移包括线位移，转角，曲率等参数
结构构件的能量耗散能力，应以荷载-变形滞回曲线所包围的面积来衡量， 能量耗散系数按下式计算
E
S ABC S OBE
CDA ODF
退化率
退化率的大小反映了结构承受反复荷载作用的能力，当退化率较小时，说明 结构有较大的耗能能力，强度退化率按下式计算
i
F F
i j , min 1 j , max
长柱的剪切破坏照片
短柱的剪切破坏照片
钢筋混凝土框架结构的延性设计分析
钢筋混凝土框架结构的延性设计分析引言钢筋混凝土框架结构广泛应用于建筑工程中，具有较强的抗震性能。
而延性作为结构的一个重要指标之一，对于保证结构在地震荷载下具有较好的性能至关重要。
本文将对钢筋混凝土框架结构的延性设计进行分析，包括延性的概念和重要性、延性设计的方法与原则等内容。
一、延性的概念和重要性延性是指结构在超过弹性阶段后，仍能继续变形并能对震动能量进行吸收和耗散的能力。
具有较好延性的结构可以在地震发生时发生弹塑性变形，将地震能量分散到整个结构中，降低震害程度，保护人员的生命安全。
延性的设计目标是确保结构在剧烈振动中不发生破坏，并能恢复到震前状态。
因此，延性设计在抗震设计中的重要性不言而喻。
二、延性设计的方法与原则1.选用合理的构件形式：合理的构件形式可以提高结构的延性。
例如，在地震力作用下，剪力墙、框架柱等构件具有较好的延性，可以通过适当增加构件尺寸或设置加劲梁、剪力墙等来提高结构的延性。
2.合理选择材料：材料的性能直接影响结构的延性。
需要合理选择混凝土和钢筋的等级和数量，以确保在弯剪承载力下，结构能够实现一定的延性要求。
3.设计适当的屈服形态：结构的变形形态对其延性有重要影响。
通过合理设计构件的屈服形态，如屈服机构或软肢连接等，可以使结构在地震作用下产生一定的塑性变形。
4.合理设计剪力墙开孔或剪力墙梁空挑：通过剪力墙开孔或剪力墙梁空挑的设计，可以提高结构的延性。
剪力墙开孔或剪力墙梁空挑的设置应满足结构刚度和强度的要求，同时考虑到结构延性的需要。
5.增加结构的耗能能力：通过合理设置耗能装置，如阻尼器、剪力墙分段等，可以提高结构的延性。
耗能装置能有效吸收震动能量，减小结构应力和变形。
三、实例分析以一座居住建筑的钢筋混凝土框架结构为例进行延性设计分析。
通过对该建筑的结构形式、构件形态、材料等进行合理设计，提高结构的延性。
1.结构形式：选择合适的框架结构形式，确保结构整体稳定。
2.构件形态：增加主要构件的尺寸，如增加柱截面尺寸和加劲梁的设置，提高结构的抗震性能和延性。
钢-混凝土组合结构抗震性能研究进展
㊃综㊀述㊃钢结构(中英文),38(12),1-26(2023)DOI :10.13206/j.gjgS 23062902ISSN 2096-6865CN 10-1609/TF㊀㊀编者按:当前我国第五代GB 18306 2015‘中国地震动参数区划图“明确了基本㊁多遇㊁罕遇和极罕遇等四级作用的地震动参数确定方法并提高了工程结构抗震设防标准㊂组合结构适应国家新型城镇化建设重大需要,在城市人口密集区域和抗震设防高烈度区域具有广泛应用价值㊂由于钢管混凝土柱存在间接约束以及界面滑移等特性,其抗震能力可进一步挖掘,以提升强震下重要工程结构的安全性,或者在维持相同性能时节约材料用量㊂学者们通过模型试验㊁理论研究以及关键技术研发,所形成的系列成果在工程结构中得到了成功应用㊂为此,‘钢结构(中英文)“杂志特邀丁发兴教授为主编,系统组织了两期(本期及2024年第1期) 组合结构抗震性能与韧性提升 专栏,向读者介绍国内针对钢管混凝土柱㊁钢管混凝土柱-组合梁节点㊁组合框架以及组合框架-筒体结构等方面的最新研究成果,探讨各有效措施对抗震性能的影响规律,以期推动组合结构技术的完善与升级㊂钢-混凝土组合结构抗震性能研究进展∗丁发兴1,2㊀许云龙1㊀王莉萍1,2㊀吕㊀飞1,2㊀段林利1,2㊀余志武1,2(1.中南大学土木工程学院,长沙㊀410075;2.湖南省装配式建筑工程技术研究中心,长沙㊀410075)摘㊀要:钢-混凝土组合结构因具有抗弯刚度大㊁承载力高㊁延性好和施工便捷等优点,适应国家新型城镇化建设重大需要,在城市人口密集区域和抗震设防高烈度区域应用广泛㊂在提高工程结构抗震设防标准的背景下,研究钢-混凝土组合结构的抗震性能,进一步提升其抗震韧性,建立具有更高韧性的钢-混凝土组合结构抗震设计方法对促进建筑结构实现 双碳 战略目标具有重要意义㊂为此,归纳总结了钢-混凝土组合结构抗震性能的研究进展,包括钢-混凝土组合梁㊁钢管混凝土柱及钢管混凝土柱-组合梁节点的滞回性能试验研究,以及钢-混凝土组合结构体系的拟静力㊁拟动力及振动台试验研究,讨论并比较了各种抗震分析模型及其方法,提出了当前研究存在的一些问题和尚需深入研究的方向㊂基于现有研究成果总结得到:1)组合梁主要依靠钢梁耗能,可采取增大钢梁截面尺寸的措施提高耗能能力㊂钢管混凝土柱主要依靠钢管和混凝土耗能,可采取拉筋增强约束措施直接约束混凝土,使其由脆性向塑性转变从而提高框架柱的耗能能力㊂与其他类型组合节点相比,刚性连接组合节点具有更好的耗能能力㊂2)罕遇地震下框架结构以梁耗能为主,而在超罕遇地震下仍以梁作为主要耗能部件将使工程成本大幅增加㊂由于超罕遇地震发生概率极低,若采取适当的增强约束措施使柱也具备耗能能力并参与耗能,则可在适当增加工程建设成本的同时使结构具有抵抗超罕遇地震的能力,此时组合结构抗震设计理念可由罕遇地震时的 强柱弱梁,梁耗能为主 向超罕遇地震时的 梁柱共同耗能 推进㊂3)基于平截面假定的杆系纤维模型计算软件通常适用于弹性和弹塑性小变形阶段分析,而当组合结构处于塑性大变形阶段时,结构杆件便不再符合平截面假设㊂对强震下组合结构体系的动力响应仿真模拟需要克服弹塑性小变形阶段的假定条件,采用适用于塑性大变形阶段结构分析的混凝土三轴弹塑性本构模型及相应的体-壳元模型是一种有效的途径㊂4)剪力墙结构具有整体性好㊁侧向刚度大等优点,但传统构造下其抗震能力较弱,可通过提升连梁和墙肢等耗能构件的耗能能力以增强结构整体耗能能力,如采用钢-混凝土组合连梁㊁型钢混凝土连梁或合理构造钢板连梁,以及型钢-约束混凝土或钢管混凝土墙肢等㊂5)工程结构在使用阶段面临着诸多灾害考验,传统方法根据不同外荷载进行独立抵抗设计,忽视了多灾害耦合作用机制,使结构综合抗灾性能难以满足使用需求,故建立安全可靠的抗多灾害设计方法和结构体系是结构工程师在防灾减灾领域的一项重大课题㊂关键词:钢-混凝土组合梁;钢管混凝土柱;钢-混凝土组合结构;抗震性能;试验研究∗国家自然科学基金项目(51978664)㊂第一作者:丁发兴,男,1979年出生,博士,教授㊂通信作者:王莉萍,女,1987年出生,博士,副教授,wlp2016@㊂收稿日期:2023-06-290㊀引㊀言中国是世界上地震灾害最严重的国家之一,地震灾害给人类社会活动造成了不可估量的损失㊂大量建筑结构因抗震能力不足而倒塌,造成的人员伤1丁发兴,等/钢结构(中英文),38(12),1-26,2023亡和经济损失使得抗震减灾技术成为结构工程师们面临的主要考验㊂为提高建筑结构的抗震性能,研究者们在结构布置和局部构造等方面展开了大量的研究工作㊂钢-混凝土组合结构因充分发挥了两种材料的力学性能优势,提升了结构的刚度㊁承载力和耗能能力而在高层及超高层建筑结构中得到了广泛应用[1]㊂随着经济社会的发展,工程结构抗震设防标准也在不断提升,研究钢-混凝土组合结构的抗震性能,进一步提升其抗震韧性,建立具有更高韧性的钢-混凝土组合结构抗震设计方法,对促进建筑结构实现 双碳 战略目标具有重要意义㊂组合结构中,钢-混凝土组合梁和钢管混凝土柱的材料利用效率最高,其抗震性能提升明显㊂为此,笔者对国内外相关钢-混凝土组合结构的主要研究成果进行归纳总结,对组合结构抗震性能方面需要进一步深入研究的工作进行展望,以期为后续研究工作提供一些参考和建议㊂1㊀钢-混凝土组合构件及节点抗震性能1.1㊀钢-混凝土组合梁钢-混凝土组合梁由钢梁和混凝土板通过栓钉连接而成,发挥了混凝土的抗压性能和钢材的抗拉性能优势㊂Daniels等[2]对组合框架中的组合梁进行了抗震性能研究,并给出了组合梁的弹塑性分析方法㊂文献[3-5]先后对组合梁进行了低周往复试验研究,结果表明组合梁具有良好的耗能能力和延性,增设腹板加劲肋或增加腹板厚度能明显提高组合梁的极限承载力,改善构件延性㊂Gattesco 等[6-7]㊁Taplin等[8]和Bursi等[9-10]着重研究了剪力连接件对组合梁抗震性能的影响,指出剪力连接件的布置方式直接影响界面滑移量,进而影响组合梁极限承载力㊂国内聂建国等[11]首先进行了6组钢-混凝土叠合板组合梁低周往复荷载试验研究,结果表明钢-混凝土叠合板组合梁的滞回曲线饱满,且存在界面滑移,其剪力连接度直接影响构件正向极限抗弯承载力,而反向极限抗弯承载力则可依据简化塑性方法计算得出㊂此后,蒋丽忠等[12-16]和Ding等[17]先后对低周往复荷载下钢-混凝土组合梁的抗震性能进行了系列试验研究,分别探讨了剪力连接度㊁力比㊁栓钉直径㊁腹板厚度㊁纵向和横向配箍率对组合梁抗震性能的影响规律,并建立了恢复力模型[13]㊂Liu等[18]建立了三维实体-壳元模型,其中钢梁采用壳单元,混凝土采用实体单元,栓钉采用梁单元或弹簧单元,分析结果表明组合梁的抗震能力主要依靠钢梁翼缘,增大钢梁尺寸有利于提高抗震能力,而增大栓钉剪力连接度也有利于提高钢梁的耗能㊂1.2㊀钢管混凝土柱钢管混凝土柱由外钢管内部填充混凝土而成㊂自1965年日本九州大学学者Sasaksi和Wakaba-yashi对方钢管配筋混凝土柱进行拟静力试验后[19],Tomii等[20]也开展了圆钢管混凝土柱拟静力试验研究,表明钢管混凝土柱比钢筋混凝土柱具有更大的极限承载力,更好的延性和耗能能力,以及更小的刚度退化等特点㊂Elremaily等[21]最早根据试验结果和理论分析指出钢管约束作用提升了柱承载力和抗震性能㊂随后有关钢管混凝土柱抗震性能研究越来越丰富,研究者们分别从材料强度㊁轴压比㊁宽(径)厚比和长细比等方面探讨了钢管混凝土柱抗震性能规律㊂在材料强度方面,吕西林等[22]㊁韩林海等[23]和Liu等[24]先后研究了混凝土强度对钢管混凝土柱抗震性能的影响规律,结果显示随着混凝土强度的提升,试件初始刚度略有增大,极限承载力也有所提高,但其延性和耗能能力均下降,且刚度退化加快㊂游经团等[25]和Yadav等[26]的试验结果表明:增大钢管屈服强度能够明显提升极限承载力,但对初始抗弯刚度几乎无影响㊂Varma等[27-28]探讨了钢材强度对柱抗震性能的影响规律,低轴压比下柱的延性系数随钢材强度的增大而降低,而当轴压比较大时,该规律并不明显㊂在轴压比方面,吕西林等[22]㊁Liu等[24]㊁游经团等[25]㊁Varma等[27-28]㊁张春梅等[29]㊁李学平等[30]㊁李斌等[31]㊁聂瑞锋等[32]和Cai等[33]通过试验研究发现,轴压比是影响柱抗震能力的直接因素,增大轴压比导致水平承载力㊁延性和耗能能力下降,刚度退化明显㊂在宽(径)厚比方面,吕西林等[22]㊁Liu等[24]㊁Yadav等[26]和李学平等[30]的试验表明,试件水平极限承载力随着宽(径)厚比增大而降低㊂Varma 等[27-28]㊁李斌等[31]和余志武等[34]指出,提高宽(径)厚比可使其延性系数下降㊂聂瑞锋等[32]和Matsui等[35]指出,宽(径)厚比越大,耗能能力越弱㊂在长细比方面,李斌等[31]㊁聂瑞锋等[32]和邱增美等[36]通过试验研究表明,随着长细比的增加,钢管混凝土柱初始刚度明显降低,刚度退化加快,水平2钢-混凝土组合结构抗震性能研究进展承载力和耗能能力变弱,延性系数也明显下降,当长细比达到一定值时延性系数下降更快㊂为加强大宽(径)厚比钢管对混凝土的约束作用而提升其抗震性能,学者们陆续提出了诸多约束措施,如在柱端部焊接钢板或角钢[37],包裹纤维复合材料[38],设置约束拉杆[39]㊁栓钉[40]㊁加劲肋[41]或斜拉肋[42]等局部加强措施,如图1a ~1g 所示,这些局部加强构造一定程度上延缓了柱端塑性铰的形成与发展㊂a 钢板约束;b 角钢约束;c 纤维复合材料约束;d 拉杆约束;e 栓钉约束;f 加劲肋约束;g 斜拉肋约束;h 内拉筋约束㊂图1㊀各种约束方式下的钢管混凝土柱由于钢管对混凝土的约束作用为间接被动约束,丁发兴[43]在比较各种约束方式后提出了内拉筋约束钢管混凝土柱技术,如图1h 所示,并揭示了内拉筋直接约束混凝土的工作原理㊂此后,丁发兴课题组开展了端部拉筋钢管混凝土柱抗震性能试验研究,截面形式包括矩形[44]㊁圆形[45]㊁椭圆形[46]㊁圆端形[47]等,探讨了拉筋与钢管内表面接触方式的影响[48],试验结果表明,实际轴压比高达0.8的超高轴压比钢管混凝土柱仍呈现延性破坏,且钢管混凝土柱塑性铰展现出小偏压和大偏压两个阶段,其韧性得到进一步提升㊂同时,课题组基于体-壳元模型进行了有限元模拟,其中混凝土采用实体单元,钢管采用壳单元,拉筋采用杆单元,分析结果表明,压弯荷载下拉筋具有降低界面滑移㊁直接约束混凝土以及促进钢管抗弯等效果,从而提高抗弯刚度㊁承载力和耗能能力,其中拉筋大幅度提高了混凝土的耗能能力[49]㊂1.3㊀钢管混凝土柱-组合梁节点作为钢-混凝土组合结构的关键传力部位,组合节点的剪力主要通过钢梁腹板传递,其次通过节点区混凝土和钢管壁间的黏结力和摩擦力传递,而弯矩则主要由加强环板㊁内隔板等构件传递[50]㊂现有节点试验不少是以钢管混凝土柱和纯钢梁的连接为研究对象,而相关组合框架及组合节点的试验研究结果表明,钢梁与楼板在进入弹塑性阶段之后仍能发挥明显的组合效应[51],这种组合效应能显著提高结构的刚度㊁强度及耗能能力,抑制钢梁上翼缘屈曲,增强钢梁的稳定性[52]㊂另外,当节点区域受正向弯矩作用时,楼板与钢梁的组合效应更为显著[53-54],楼板的存在将使中性轴上移,导致钢梁下翼缘应变明显增大,从而促使下翼缘更易发生屈服及破坏,降低组合梁的转动能力[55]㊂鉴于钢筋混凝土楼板对节点区域及结构体系具有重要影响,笔者仅对考虑楼板的组合节点抗震性能试验进行梳理㊂组合梁节点及框架试验表明负弯矩区钢梁下翼缘由于受压易过早出现局部屈曲和失稳的问题,李杨等[56]在普通组合梁负弯矩区下翼缘增设一块混凝土板,开展了钢-混凝土双面组合梁节点的抗震性能试验,与普通组合梁节点相比,双面组合梁节点具有更高的刚度和承载力,但在刚度退化㊁延性系数和耗能能力等方面无明显优势㊂在削弱式节点方面,Xiao 等[57]和Li 等[58]对带楼板的狗骨式节点进行了拟静力试验,结果表明,减小梁截面可促进削弱区域塑性铰的形成,有效避免节点核心区焊缝撕裂㊂在传统刚性节点方面,聂建国课题组先后完成了内隔板式节点[59]㊁栓钉内锚固式节点㊁外隔板式节点[60]和内隔板贯通式节点[61]的拟静力试验研究㊂研究发现:内隔板式节点表现出较强的极限承载能力,但其位移延性系数低;而栓钉内锚固式节点具有较强的变形能力,但极限承载力较低;相比之下,外隔板式节点和内隔板贯通式节点在极限承载能力㊁位移延性系数和耗能能力等方面均具有良好的性能[60-61]㊂此外,聂建国等[62]建立了组合节点剪力-剪切变形曲线的恢复力模型,提出了组合节点屈服抗剪承载力和极限抗剪承载力计算公式㊂韩林海课题组[63-64]采用外环板式节点对圆钢管混凝土柱-组合梁节点进行拟静力试验研究,提出了节点的抗剪承载力公式和核心区剪力-剪切变形恢复力模型㊂周期石等[65]提出了楼板钢筋和钢梁翼缘削弱穿入钢管混凝土柱的刚接节点,发现楼板钢筋的穿入增强了节点区域钢梁抗弯刚度和楼板的组合效应,而钢梁翼缘削弱的穿入降低了穿入钢梁对浇筑柱中混凝土的影响㊂研究表明,对于钢梁翼缘削弱穿入钢管混凝土柱的刚接节点,当削弱程度不大时,节点具有良好的抗震性能,但仍将降低节点的刚3丁发兴,等/钢结构(中英文),38(12),1-26,2023度㊁承载力和耗能能力㊂在半刚性节点方面,Mirza等[66]分别对半刚性单边螺栓节点进行了静力和拟静力试验,并根据有限元分析结果给出了构造设计方法㊂王静峰等[67-69]进行了半刚性单边螺栓节点试验,包含圆㊁方钢管和带纵向加劲肋钢管的拟静力试验以及带纵向加劲肋钢管混凝土柱的拟动力试验㊂试验结果表明,圆钢管混凝土柱-组合梁节点的承载力和弹性刚度要大于方截面[67];外伸端板连接节点的承载力和弹性刚度要大于平齐端板连接,而其转动能力和延性性能要低于平齐端板连接[68-69]㊂Yu等[70]提出了上焊下栓式的节点连接方式,即钢梁上翼缘与柱隔板焊接,下翼缘与柱隔板通过螺栓连接,螺栓连接处板件的滑移有利于降低钢梁下翼缘应力,避免出现过早断裂的现象㊂欧洲规范[71]中,根据初始转动刚度大小,将节点分为铰接㊁半刚性连接和刚性连接;根据抗弯承载力大小,将节点分为铰接㊁部分强度和全强度㊂Ding 等[72]认为该分类标准对于半刚性连接节点的定义较为宽泛,难以准确判定试件的类型,应根据节点的初始转动刚度㊁抗弯承载力和耗能能力等性能指标综合定义,并将其细化为半刚接㊁准刚接㊁Ⅰ类刚接和Ⅱ类刚接四类㊂据此,丁发兴等[73]完成了端板螺栓连接和加强环连接组合梁节点的拟静力试验,利用柱内拉筋 强柱 构造和加劲肋 强梁 构造技术实现了节点核心区强连接,显著提升了螺栓连接节点的初始转动刚度㊁抗弯承载力和耗能能力,使栓连节点达到了刚性节点的性能要求㊂同时,内拉筋 强柱 构造技术实现了轴压比高达0.8时,组合节点梁端发生弯曲破坏的失效模式㊂除了以上相关平面框架组合节点抗震性能试验研究外,樊健生等[74-75]从加载路径㊁混凝土楼板㊁柱类型及节点位置等方面对空间组合内隔板贯通式节点进行了拟静力试验,结果表明空间受力的节点在承载力和延性性能等方面均有明显下降,因此平面荷载作用不能完全反映其抗震性能,在节点设计中应考虑空间荷载的耦合作用㊂2㊀钢-混凝土组合结构体系抗震性能组合梁㊁柱及其组合节点等构件的研究最终以在结构体系中的应用为落脚点,因而各类组合构件集成后的体系响应是工程实践重要的关注点之一㊂笔者以钢-混凝土组合框架结构为主要对象,根据不同试验方法分别梳理了研究者在有关结构体系抗震方面的研究成果㊂2.1㊀试验研究2.1.1㊀拟静力试验Matsui[76]㊁Kawaguchi等[77-78]㊁马万福[79]㊁钟善桐等[80]㊁李斌等[81]㊁王来等[82]㊁李忠献等[83]和王先铁等[84]对钢-混凝土组合框架模型进行了系列抗震性能试验研究,指出钢-混凝土组合框架结构的抗震性能要优于钢筋混凝土框架和钢框架结构㊂为研究混凝土楼板在框架结构中的组合效应,聂建国等[85]完成了4层单跨纯钢框架和组合框架结构的拟静力试验㊂结果表明:与整体性较差的纯钢框架相比,组合框架的抗侧刚度因混凝土楼板空间作用而大幅提升㊂Tagawa等[86]㊁Nakashima 等[87]和聂建国等[52,88]分别进行了足尺框架子结构拟静力试验,探讨了混凝土楼板对结构刚度㊁强度㊁耗能及变形能力的影响规律,确定了在结构设计中楼板组合效应的有效计算宽度㊂王文达等[89]㊁王先铁等[90]和余志武等[91]以柱截面形状㊁材料强度㊁含钢率㊁轴压比和梁柱线刚度比等为研究对象,对组合框架结构开展了往复荷载作用下的试验研究,探讨了各参数对组合框架结构抗震性能的影响规律,提出了钢管混凝土框架荷载-侧移实用恢复力模型及位移延性系数简化计算方法㊂王静峰等[92-94]和王冬花等[95]研究了往复荷载作用下半刚性单边高强螺栓连接组合框架的抗震性能和破坏机理,分析了滞回及骨架曲线㊁强度和刚度退化规律㊁延性及耗能能力等力学性能指标,并建立了半刚性钢管混凝土框架的弹塑性地震反应分析模型,提出了一种适用于半刚性钢管混凝土框架的P-Δ关系曲线的简化二阶方程和弹塑性层间位移的简化计算方法㊂此外,赵均海等[96]提出了装配式复式钢管混凝土框架结构及其极限承载力简化计算方法,阐述了柱-柱拼接节点和加强块梁柱节点在此类结构中的应用效果㊂Ren等[97]和王波等[98]在钢管混凝土框架中增设屈曲约束支撑装置,研究水平反复荷载作用下耗能减震部件对结构抗震性能的影响㊂结果表明:增设屈曲支撑不仅对结构的刚度和承载力有提升作用,还能延缓塑性铰的形成,增强结构延性和耗能能力㊂丁发兴等[99]完成了2层2跨组合框架对比试验研究,结果表明:内拉筋强柱构造措施提升了框架结构的刚度和承载力,延缓了柱端塑性铰的形成,增强了结构延性和耗能能力㊂由此可见,内拉筋提升框架柱的刚度㊁承载力和耗能能力,其效果相当于增4钢-混凝土组合结构抗震性能研究进展设屈曲支撑㊂2.1.2㊀拟动力试验宗周红等[100]通过对缩尺比例为1/3的半刚性两层空间组合框架的拟动力试验,从层间刚度㊁自振频率㊁加速度反应㊁位移反应和滞回曲线等方面评估了该结构的动力响应和耗能性能,研究了峰值加速度㊁频谱特性和强震持续时间对结构动力响应和力学性能的影响,建立了组合框架结构动力分析模型㊂Herrera等[101]按照3/5的比例对一幢节点采用T型连接方式的4层组合框架进行了拟动力试验,结果表明此类节点的组合框架满足美国相关设计标准㊂在半刚性节点组合框架方面,He等[102]对缩尺比例为4/7的端板螺栓连接组合框架子结构模型先后进行了拟动力㊁拟静力和静力推覆试验,从层间位移及剪力㊁应变㊁转角和耗能等方面分析结构在多遇地震㊁设防地震㊁罕遇地震和超罕遇地震水准下的动力响应㊂完海鹰等[103]对节点采用长螺栓式双腹板顶底角钢半刚性连接的钢管混凝土框架进行拟动力试验研究,探讨不同峰值加速度下结构的受力特征㊁刚度退化㊁动力响应及耗能能力㊂王静峰等[104-105]通过两组拟动力试验分别研究了钢管混凝土柱-组合梁框架和钢管混凝土柱-钢梁框架的动力性能和破坏特征,探讨了柱截面形式和端板类型对结构性能的影响㊂试验结果表明,圆形柱组合框架的最大位移响应和累积耗能均大于方形柱组合框架,但其初始刚度和承载力则弱于方形柱组合框架㊂此外,王静峰等[106]还采用混合试验方法对装配式中空夹层钢管混凝土组合框架开展了拟动力试验研究,分析了该组合框架结构在峰值加速度为0.62g和1.24g时的动力响应和破坏机理㊂在屈曲约束支撑组合框架方面,Tsai等[107-108]完成了多级地震作用下3层3跨足尺钢管混凝土柱屈曲约束支撑框架拟动力试验研究,探讨了屈曲约束支撑对结构整体抗震性能的影响,并从有效刚度㊁耗能和位移延性系数等方面评估了支撑构件连接方式的有效性㊂郭玉荣等[109]完成了防屈曲支撑组合框架子结构拟动力试验,提出了防屈曲支撑可增强结构的抗侧刚度和变形恢复能力㊂2.1.3㊀振动台试验黄襄云等[110-111]利用振动台试验对5层2跨2开间钢管混凝土空间框架结构的动力特性㊁加速度反应和位移反应进行了分析,并分别按等强度㊁刚度㊁截面积的原则将钢管混凝土柱换算成钢筋混凝土柱进行试算,综合评定了该结构的抗震性能㊂杜国锋等[112]采用单输入㊁单输出方式对8层单跨2开间钢管混凝土柱-钢梁框架进行动力特性试验,并通过3种不同地震波作用分析了结构的最大地震作用力㊁层间剪力㊁位移和应变反应㊂邹万山等[113]通过振动台试验得出,不同频谱特性的地震波对模型结构的加速度和位移反应分布曲线形状影响较小,且模型各层绝对加速度主要由前两阶振型决定,其他高阶振型的影响可以忽略㊂罗美芳[114]研究了不同工况下4层钢-混凝土组合框架结构的动力响应及破坏模式,评价了该结构的抗震性能㊂童菊仙等[115-116]设计并制作了有㊁无侧向耗能支撑的5层单跨2开间的方钢管混凝土柱框架模型,利用振动台试验对两种框架的动力特性和地震响应进行分析,得到了结构的振型㊁周期和阻尼比等基本属性,以及地震波作用下的位移㊁加速度和应力响应㊂结果表明:即使没有楼板的组合作用,结构仍具有较好的抗震性能;侧向支撑可承担部分水平地震作用,减小了结构的动力反应㊂陈建斌[117]和吕西林等[118]完成了国内首个方钢管混凝土高层组合框架-支撑结构振动台试验㊂试验中发现结构支撑体系的破坏较为严重,试验结果表明:该结构的动力性能介于钢筋混凝土结构和钢结构之间且更倾向于钢结构,其塑性㊁韧性和抗震性能表现良好,并通过计算结果显示阻尼器对加快结构峰值反应后的振动衰减具有较大作用㊂为研究地震作用下半刚性连接组合梁框架的动力特性以及破坏模式,李国强等[119]进行了1个足尺半刚性连接组合梁框架结构模型振动台试验研究㊂结果显示:当峰值加速度高达1.2g时,结构整体仍未发生明显损坏,表明该结构形式可满足高烈度区域的抗震设防要求㊂Han等[120]对两个由组合框架结构和钢筋混凝土剪力墙混合形成的高层建筑模型进行了振动台试验,对比分析了圆钢管混凝土柱和方钢管混凝土柱对该混合结构体系整体性能的影响,验证了组合框架结构与核心剪力墙结构在地震作用下优良的复合效应和抗震性能㊂2.2㊀理论分析静力弹塑性分析法是以反应谱为基础,首先依据抗震需求谱和结构能力谱得到地震作用下建筑结构所产生的目标位移,随后在建筑结构上施加稳定的竖向荷载,同时施加单调递增的水平荷载直至达到目标位移,最后评估结构最终状态下的抗震性能㊂通过该方法可以评估地震作用下结构的内力和变形5。
浅谈钢筋混凝土框架结构抗震延性设计
浅谈钢筋混凝土框架结构抗震延性设计发布时间：2021-03-02T15:12:25.173Z 来源：《工程建设标准化》2020年20期作者：李晓光[导读] 我国建筑行业一直处在高速发展时期，随着国民经济发展水平不断提升李晓光中冶地建设集团（三河）建筑设计咨询有限公司河北省廊坊市三河市 065201摘要：我国建筑行业一直处在高速发展时期，随着国民经济发展水平不断提升，以及历次地震灾害带来的惨痛代价，使得建筑结构的安全设计要求越来越高，建筑物的抗震设计成为广泛关注的重要问题。
结构抗震的本质是延性，延性设计的提高可以增加结构的抗震能力，并增强其抗倒塌的能力。
本文主要分析了钢筋混凝土框架结构的抗震延性设计。
关键词：钢筋混凝土框架结构；抗震能力；延性设计引言：根据钢筋混凝土框架结构的实际使用情况分析可知，其抗震能力不仅受到构件承载力的影响，在一定程度上也受到其变形能力、动力响应的影响，简单而言，建筑结构消耗、吸收地震能量的能力越强，则在地震作用下的安全性越好，避免出现全面倒塌事故。
由此，在进行钢筋混凝土框架结构结构抗震设计时，延性设计的合理控制是十分关键的，通过有效提高结构与构件的塑性变形能力，可确保结构出现损坏后依旧可以承受较大变形，最大限度地减小地震灾害造成的损失。
1钢筋混凝土框架结构的延性问题分析根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)要求，建筑结构在地震作用下，需具备足够的抵抗力、保持足够的延性要求，方可实现“小震不坏，中震可修，大震不倒”。
所谓延性，指的是结构构件、截面等受力超过弹性阶段后，承载力无显著变化时的后期变形能力，即：构件破坏前的经受非弹性变形能力，相关延性系数包括：材料延性、截面曲率延性、构件的位移延性、结构位移延性等。
结构的抗震能力，在一定程度上可以看作是其变形能力、耗能能力，由此，加强结构延性设计，可有效提高结构的弹塑性变形及消耗、吸收地震的能力，令屈服部分发生延性破坏，避免结构出现整体倒塌的情况。
钢筋混凝土斜支撑-框架结构抗震设计分析
钢筋混凝土斜支撑-框架结构抗震设计分析发布时间：2021-02-04T14:53:43.603Z 来源：《基层建设》2020年第27期作者：全纯[导读] 摘要：当前建筑行业飞速发展，对建筑物质量与安全的要求不断提升。
佛山市顺德区顺茵绿化设计工程有限公司广东省佛山市 510000摘要：当前建筑行业飞速发展，对建筑物质量与安全的要求不断提升。
建筑结构承受的荷载分为水平与竖向两个方面。
在高层建筑中，水平荷载作为主要控制因素，使结构抗侧移能力成为主要矛盾。
在当前工程应用中，应采取有效措施提高斜撑框架结构的抗震能力，确保建筑物安全稳定。
关键词：钢筋混凝土；斜支撑-框架；抗震设计1、混凝土斜支撑-框架结构与同类结构的分析对比1.1与混凝土框架结构的对比本结构比混凝土框架结构增加了一个支撑框架系统，多了一道抗震防线。
支撑框架抗侧力刚度较大，与延性框架协同抗震，比纯框架结构抗震性能高很多，抗倒塌能力强很多。
斜撑对提高框架结构抗震能力起到重要的作用，这点已经在钢框架一偏心支撑结构中得到了证实。
钢框架增加斜撑后，房屋适用最大高度增加一倍以上。
本结构相当于纯混凝土的框架一偏心支撑结构，房屋适用最大高度比混凝土框架结构也可提高50%以上。
框架增加斜撑对建筑使用有一些影响，例如门窗的布置，但房屋适用高度提高了，比框架结构的应用范围更广泛了。
框架上增加斜撑，包含混凝土框架上增加混凝土斜撑和钢支撑，钢框架上增加中心支撑、偏心支撑和屈曲约束支撑，都是提高结构抗侧向力能力的有效措施。
如果结构不受地震和风荷载等侧向力的作用，斜撑是多余的。
增加斜撑就是增加结构的赘余度，增加结构的安全储备。
房屋结构的安全关系到人们生命财产的安全，房屋抗震以预防为主，如果房屋立足于大震不倒，框架上增加斜撑是非常必要的。
1.2与钢支撑一混凝土框架结构的对比虽然两种结构都是在混凝土框架中加斜撑，但本结构增加的是混凝土斜撑，与混凝土框架同属一种材料，构件刚弹性一致，构件的变形、结构的位移也能协调一致，两钢支撑与混凝土框架是两种不同的材料，不同材料的组合结构构件共同工作协调性较差。
钢筋混凝土框架结构延性抗震设计
三、 延性设计
延性设 计主要是利用结构、构件 自身的延性耗
【 关键词】架柱 抗 震 延性 有 限元
能能力 来抵抗地震 作用，也可 以说是通过对结构允 许 出现 塑性 铰的部位进行专门的延性设计。使基于 多遇水 准地 震作 用的设 计能 够满 足经历 更大 的地 震 ，继而避免发生灾难性破坏。 经过初 步建模运算，该工程底层地下室大部分 框架 柱受力较大。因特殊使用要求 ，不能再增大柱 子截 面，也不能通过增加柱子数 目和剪力墙数 目来
【 Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ 】ｆ ｒ ａ ｍｅ ｃ ｏ ｌ ｕ ｍｎ ， ｅ ａ ｒ ｔ ｈ ｑ ｕ ａ ｋ ｅ ， ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ， ６ ｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ －
ｎｔ
调整轴压 比。出于安全性考虑， 可 以利用构造措施 。
通过对柱端进行延性设计来保证柱端 的延性 能力 ， 达到 “ 小震不坏， 中震可修，大震不倒 ”的设防 目
二 、 影 响 结 构 延 性 的 主 要 因 素
１ ．轴压 比上限控制 对于框架柱 ，轴压 比是影响柱子受力性 能的一 个很重要的方面 。控制柱子轴压 比上 限值可 以保证 柱端塑性铰区具有必要 的延性 能力 。 柱子的轴力在地震时是会变化 的，既受竖 向荷 载影响 ，又受水平荷载影 响。而轴力变化会 引起柱
钢筋混凝土框架结构延性抗震设计
Ｔｈ ｅ Ｄｕ ｃ ｔ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ Ｓｅ ｉ ｓ ｍｉ ｃ Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ Ｒｅ ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ ｄ Ｃｏ ｎ ｃ ｒ ｅ ｔ ｅ Ｆｒ ａ ｍｅ Ｓｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ
● 田镜楷 ■ Ｔ ｉ ａ ｎ Ｊ ｉ ｎ ｇ ｋ ａ ｉ
该工程 底层 柱 剪跨 比为
钢筋混凝土框架结构的延性设计
钢筋混凝土框架结构的延性设计作者：廖辉来源：《现代企业文化·理论版》2011年第02期“强柱弱梁”、“强剪弱弯”等是建筑结构设计中非常重要的概念。
简单地说，虽然整个结构体系是由各种构件协调组成一体，但各个构件担任的角色不尽相同，按照其重要性也就有轻重之分。
一旦不可意料的破坏力量突然袭来，各个构件协作抵抗的目的，就是为了保住最重要的构件免遭摧毁或者至少是最后才遭摧毁，在建筑结构中，柱倒了，梁会跟着倒；而梁倒了，柱还可以不倒的。
可见柱承担的责任比梁大，柱不能先倒。
为了保证柱是在最后失效，我们故意把梁设计成相对薄弱的环节，使其破坏在先，以最大限度减少可能出现的损失。
以下就钢筋混凝土框架结构的主要构件来分别阐述延性设计的理念。
什么是混凝土框架强柱弱梁的概念设计？由于梁截面高度较高，且与现浇楼板组成T形截面构件共同工作，形成强梁弱柱，导致柱子破坏，房屋倒塌。
框架结构的弹塑性分析表明，强震作用下，梁端实际达到的弯矩与其正截面受弯承载力是相等的，柱端实际达到的弯矩也与其偏压下的受弯承载力相等。
这是地震作用效应的一个特点。
因此，所谓“强柱弱梁”指的是：节点处梁端实际受弯承载力和柱端实际受弯承载力之间满足下列不等式：这种概念设计，由于地震的复杂性、楼板的影响和钢筋屈服强度的超强，难以通过精确的计算真正实现。
国外的抗震规范多以设计承载力来衡量或将钢筋抗拉强度乘以超强系数来实现。
《建筑抗震设计规范》的规定，只在一定程度上减缓柱端的屈服。
一般采用适当增大柱端弯矩设计值的方法，其取值体现了抗震等级的差异。
具体的做法第一，柱剪跨比限制。
剪跨比反映了构件截面承受的弯矩与剪力的相对大小。
它是影响柱极限变形能力的主要因素之一，对构件的破坏形态有很重要的影响。
因此柱的剪跨比宜控制在2.0以上。
第二，梁、柱剪压比限制。
当构件的截面尺寸太小或混凝土强度太低时，按抗剪承载力公式计算的箍筋数量会很多，则箍筋在充分发挥作用之前，构件将过早呈现脆性斜压破坏，这时再增加箍筋用量已没有意义。
钢筋混凝土框架结构的延性问题及其提高措施研究
钢筋混凝土框架结构的延性问题及其提高措施研究【摘要】钢筋混凝土框架结构的延性是指结构从屈服开始至达最大承载能力或达到以后，其承载力还没有显著下降期间其所能承受塑性变形的能力。
延性是保证结构整体承载力和充分发挥结构的冗余潜力的重要条件，是阻止结构发生连续倒塌的重要能力特征。
合理的抗连续倒塌设计，可以通过较大的变形来吸收和耗散初始破坏释放的能量，另外较大的塑性变形可以更好的实现内力重分布，充分发挥结构内部冗余潜力，使结构拥有足够的延性。
【关键词】钢混结构；结构延性；空间刚度；塑性变形；能量耗散；内力重分布；概念设计0 引言延性是概念设计中的一个重要部分，它对结构的内力重分布和耗能能力起着举足轻重的作用。
适当的延性是保证钢筋混凝土框架结构整体承载力和充分发挥结构冗余潜力的重要条件，是阻止钢筋混凝土框架结构发生连续倒塌的重要能力特征。
1 框架结构的延性问题梁构件倒塌发展过程后期存在三种机制：梁机制、悬链线机制及复合机制。
其受力阶段为：第一阶段，梁端截面钢筋屈服，进入塑性铰发展阶段，当结构设计有较好的延性时，将通过内力重分布，使结构的其余梁截面也进入塑性铰，此时我们假定结构的各个截面同时屈服，同时进入塑性铰，各个截面所承担的弯矩为Mp，依靠梁机制来承担上部的荷载；第二阶段，如果上部荷载比梁机制所能承受的荷载还要大，则结构进入梁机制和悬链线机制共同承担上部荷载的阶段，此时竖向位移增大，梁机制承载力不变，悬链线机制承载力增大，直到梁截面转角达到其极限转动能力；第三阶段梁端受压区混凝土开始压碎，梁端承载力下降，梁端受压区钢筋压应力减小，但悬链线机制承载力继续增大，梁端受拉区钢筋应力增大；第四阶段梁端受压区钢筋也受拉，结构完全依靠悬链线机制承担上部荷载。
塑性铰出现的位置或其出现的顺序不同，将导致其框架结构产生不同的破坏形式。
当塑性铰首先出现在柱中，当某薄弱层柱的上下端均出现塑性铰时，该层就为几何可不体系，进而引起上部结构的倒塌。
钢筋混凝土框架结构抗震延性设计
２ ０ １ ３年
第３ ４卷
第 ２ 期
钢 筋 混 凝 土 框 架 结 构 抗 震 延 性 设 计
王红 伟
（ 武 汉建 筑材 料工业 设 计研 究 院有 限公 司 ， 武汉 ４ ３ ０ ０ ７ １ ）
摘 要 ： 该文结合 多次地震中钢筋混凝土框架结构震害情况进行分析， 说明框架结构抗震延性设计的重要性。在
Ｗ ＡＮ Ｇ Ｈｏ ｎｇ— ｗｅ ｉ （ Ｗｕ ｈ ａ ｎ Ｂ ｕ ｉ ｌ ｄ ｉ ｎ ｇ Ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ Ｉ ｎ ｄ ｕ ｓ ｔ ｒ ｙ Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ＆ Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ Ｃｏ 。 Ｌ ｔ ｄ ， Ｗｕ ｈ ａ ｎ ４ ３ ０ ０ ７ １ ， Ｃｈ ｉ ｎ ａ ）
我 国建 筑结 构物 中最 常用 的结 构形 式 ， 由于其 自身具有 良好 的延 性 、 较强 的完 整性 以及较 高 的强度 、 刚度， 广
泛 应用 于我 国地 震设 防 区域 ， 其 良好 的抗 震性 能 在 地 震 中发 挥 了积极 的作 用 。根 据 我 国《 建 筑抗 震 设 计 规 范》 （ ＧＢ ５ ０ ０ １ ｌ 一２ Ｏ １ ０ ） 提 出的结 构 物三水 准 的抗震 设 防要 求 ： （ １ ） 第一水准 ： 当遭 遇低 于 本 地 区 设 防 烈 度 的 地 震影 响 时 ， 建筑 物 一般不 损坏 或不 需修 理仍 然 可 以继 续 使用 ； （ ２ ） 第二 水 准 ： 当遭 遇 本地 区设 防烈 度 的地震 影响时， 建 筑物 可能损 坏 ， 但经 过修 理后 或不 需修 理仍 可 继续 使 用 ； （ ３ ） 第 三水 准 ： 当遭 遇 高 于本 地 区设 防烈 度 的地 震影 响 时 ， 建 筑物 不倒 塌 ， 或 不发 生危 及 生命 的严 重破 坏 。即“ 小 震 不坏 ， 中震 可修 ， 大 震不倒 ” 的设计
钢筋混凝土框架结构的延性设计分析
钢筋混凝土框架结构的延性设计分析导言随着房屋建筑层数的增高，在地震设防地区的结构延性设计至关重要。
本文分析了影响抗震结构延性设计的主要因素及其实现延性设计的机理与方法。
结构的延性在抗震设计中的重要性及概念在我国的高层建筑中，钢筋混凝土结构应用最为普遍，其中钢筋混凝土框架结构是最常用的结构形式。
因为其具有足够的强度、良好的延性和较强的整体性，目前广泛应用于地震设防地区。
钢筋混凝土框架结构具有良好的抗震性能，然而未经合理设计的框架结构会在地震作用下产生较严重的震害。
结构抗震的本质就是延性，延性是指结构或构件在承载能力没有显著下降的情况下承受变形的能力。
破坏前无明显预兆，力-变形曲线达到最大承载力后突然下跌形成明显尖峰的构件（结构）称为脆性构件（结构）。
破坏前有明显预兆，力-变形曲线在最大承载力附近存在明显的平台，能承受较大变形而承载力无显著降低的构件（结构）称为延性构件（结构）。
1.结构抗震的延性设计大量的实验研究和地震实例表明，在地震（尤其是罕遇地震）作用下，建筑结构大都会进入弹塑性状态，出现弹塑性变形。
延性设计，即使结构在构件屈服之后仍具有足够的变形能力，依靠结构的弹塑性变形来消耗地震能量，保证屈服部分发生延性破坏，避免结构发生脆性破坏和整个结构的倒塌。
这种设防思想在新的建筑抗震设计规范中具体化为“小震”（在房屋服役期内最可能遭遇的强烈地震或常遇地震）不坏，“中震”（基本烈度地震）可修和“大震”（罕遇地震）不倒。
世界上其他多地震国家的抗震设计规范，也都采用了类似的设计思想。
2.影响抗震结构延性设计的主要因素（1）钢筋的配筋率增加纵向钢筋配筋率，不仅可以提高结构构件的抵抗弯矩；同时也可以提高塑性铰的转动能力，进而增加结构的延性。
（2）箍筋配筋率由实验研究可知，位移延性随着配箍率的增加而提高。
箍筋间距越小，配箍率越大，延性的增长也越显著。
增加配箍率，就是增加对混凝土横向变形的约束，提高混凝土的抗压强度。
钢筋混凝土结构的延性与抗震
2.4 反应谱
反应谱是现阶段计算地震作用的基础，通过反应谱把随时 程变化的地震作用转化为最大的等效静力。
指单自由度体系最大地震反应与体系自振周期的关系曲线， 可分为位移反应谱、速度反应谱和加速度反应谱
, 屈服状态、极限状态混凝土受压区高 y u 度系数 由截面应变分布符合平截面假定，可导出截面曲率表达式
截面曲率延性系数
1 (
y
)
cu
Es
u
fy
钢筋开始屈服时的混凝土受压区应力图形取为三角形，由 截面应力应变协调条件和平衡条件，可导出双筋矩形截面相对 受压区高度系数：
若为单筋矩形截面，上式中ρ'取为0，可得
及结构运动速度、加速度的总称；
地震作用和结构抗震验算是建筑抗震设计的重要环节，是确定 所设计的结构满足最低抗震设防安全要求的关键步骤。
2.2抗震设防的目标
把结构设计成能经受可能产生的非常强烈地震而无任何损坏,其 建筑成本难以承受.
抗震设防的目的：通过抗震设防，减轻建筑的破坏，避免人员 死亡，减轻经济损失。 具体通过“三水准”的抗震设防要求和“两阶段”的抗震设计 方法实现。 “三水准”抗震设防目标：
结构抗震设计的基本原则是：“ 小震不坏，中震可修，大震 不倒”。如果把建筑物设计成在强烈地震作用下仍呈弹性反应， 那么建筑物的造价将十分昂贵。把建筑物设计成在强烈地震作 用下呈非线性反应，进入屈服状态，靠结构的延性耗散地震能 量，从而度过灾难而不倒塌，建筑物的造价比前者大大降低。
1.4 延性设计的重要性
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[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] AStudy on Seismic Displacement Ductility Factor of Reinforced Concrete Frame StructureCai 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 hou510640,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 RetrofittingVol.27,No 3Jun.2005Earthquake 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没有相关的平行试验数据,因此本文采用数值模拟的方法对一栋三层两跨RC 框架进行静力pushover 分析,来考察 c 对位移延性系数的影响。
强柱系数按楼层计算,第二、三层的强柱系数取0 93、1 03、1 15、1 30和1 50五种,剪跨比 =3 20,轴压比按楼层计算n =0 142,框架柱配箍特征值 v =0 151。
以第二、三层柱底剪力为纵坐标,侧向位移为横坐标,建立第二、三层的柱底剪力和侧移变形能力图,再按能量等值法[11]确定屈服位移u y ,极限位移u u取荷载下降到最大承载力的85%时所对应的位移,估算的楼层位移延性系数随强柱系数变化的趋势如图1。
从图中可知,随 c 的增大,位移延性系数增大,但提高的幅度随 c的增大而逐渐减小。
图1 强柱系数对位移延性的影响同时,由于框架梁的作用,结构楼层的位移延性比按单一框架柱试验得到的位移延性系数小。
因为单个柱试验时,柱能形成单个塑性铰,变形能充分发展;而框架楼层由于构件间的内力重分布,发生破坏时的极限位移比框架柱的极限位移小,同时屈服位移通常按等效位移原则确定,屈服位移比出现初铰时对应的位移大,两项比较框架的楼层位移延性系数比柱的位移延性系数小[12]。