钢筋混凝土结构地震破坏机理的材料分析_梁爽
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受地震力的全过程中，钢筋混凝土柱的受力发 展 变 形 主 要 取 决 于 混 凝 土 内 部 裂 缝 的 发 展 变 化 ，而 混凝土 强 度 主 要 取 决 于 水 泥 骨 料 表 面 的 粘 结 强 度［２］。 受 力 初 期 混 凝 土 裂 缝 主 要 来 源 于 粘 结 裂 缝 ， 此 时 混 凝 土 处 于 弹 性 阶 段 ，即 混 凝 土 裂 缝 发 展 的 稳 定阶段（见图３ 的Ⅰ阶 段）。裂 缝 继 续 发 展，部 分 延 伸 到 砂 浆 块 内 ，此 时 仍 有 一 定 的 塑 性 变 形 ，能 够 吸 收 部 分 地 震 能 量 ，使 裂 缝 较 稳 定 发 展 （见 图 ３ 的Ⅱ阶 段）。 此 时 ，钢 筋 混 凝 土 内 部 裂 缝 的 发 展 延 伸 ，只 是 使 构 件 内 部 产 生 应 力 重 分 布 ，并 不 意 味 着 构 件 已 失 去 抗 剪 能 力 。 因 为 当 裂 缝 受 到 剪 切 作 用 时 ，裂 缝 两 侧 的 骨 料 颗 粒 会 继 续 传 递 部 分 剪 力 ，只 是 抗 剪 作 用 之 前 是 由 结 合 力 承 担 ，而 出 现 裂 缝 后 则 是 由 颗 粒 间 的机械咬合力和摩擦力来承担。
（３）柱子或墙体 较 弱，破 坏 后 各 层 楼 板 重 叠 坍 塌 。 当 柱 子 的 截 面 尺 寸 沿 房 屋 高 逐 渐 减 小 时 ，结 构 很容易发生叠饼式的坍塌。
（４）对于框架结 构 产 生 足 够 的 梁 铰 后，形 成 的 侧移机构会引起整体坍塌。虽然这种破坏的破坏 程 度 较 重 ，但 是 ，结 构 坍 塌 以 前 要 经 历 较 大 的 塑 性 变形，结构具有良好的延性性能和耗能能力。 １．２ 破坏机理
２ 材料受地震后内部性能的改变
地震对结构的破坏与灾后材料性能的变化有 着紧 密 的 关 系，下 面 以 钢 筋 混 凝 土 柱 为 例 进 行 说明。
２０１４年第１期 总第７８期 ２３
２．１ 混凝土裂缝发展 钢筋混凝土柱是结构抗震的关键构件，其中混
凝土的损伤过程见图２。
图 ２ 混 凝 土 损 伤 过 程 图
图 ３ 剪 力 － 位 移 曲 线 图
２ ４ 西部交通科技
Ｗｅｓｔｅｒｎ Ｃｈｉｎａ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
２．２ 反复循环荷载下的低周疲劳 钢构件在承受地震作用时往往受到的不是单
一方向的 作 用 力，而 是 受 到 反 复 循 环 荷 载 的 作 用 力，这样钢 筋 混 凝 土 构 件 就 表 现 出 低 周 疲 劳 的 现 象 。 如 受 到 循 环 剪 力 作 用 下 ，构 件 的 裂 缝 相 交 形 成 Ｘ 形，混凝土便被分成多个块 体，更 容 易 发 生 滑 移 破 坏 。 当 受 到 反 向 剪 切 作 用 时 ，会 使 原 来 的 裂 缝 闭 合，但裂缝 两 侧 分 子 间 的 相 互 错 动 并 不 能 恢 复 ，就 形 成 应 力 集 中 ，从 而 降 低 构 件 的 抗 剪 能 力 。 受 拉 区 的 混 凝 土 在 受 到 反 复 弯 剪 作 用 时 也 会 加 速 脱 落 ，使 构件的刚度降低。而且反复荷载使钢筋产生包兴 格 效 应 ，弹 性 极 限 大 幅 降 低 ，变 形 速 度 也 随 之 加 快 。 除 此 之 外 ，反 复 循 环 受 力 会 破 坏 钢 筋 与 混 凝 土 之 间 的 粘 结 作 用 ，使 裂 缝 两 侧 的 混 凝 土 在 剪 力 作 用 下 沿 裂缝面错动明显，在纵筋的销栓作用下，形成沿 纵 筋的撕裂裂缝。
钢筋混凝土结构地震 破坏机理的材料分析
梁 爽 ，肖 盛 燮 ，彭 浩
（重庆交通大学土木建筑学院 ，重庆 ４０００７４）
ＢＲＩＤＧＥ ＡＮＤ ＴＵＮＮＥＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ 桥隧工程
专家信息
ＥＸＰＥＲＴＳ
肖盛燮，重庆交通大 学 教 授，博 士 生 导 师，防灾减灾工程研 究 所 所 长，重 庆 市 首 批 学 术 技 术 带 头 人，重 庆 大 学 博 士 后 流 动 站 合 作 导 师，政 府 特 殊 津 贴 获 得 者，主 要 从 事 桥 梁 结 构 分 析 及 桥 梁 检测加 固 研 究 工 作。 主 持 国 家 级、省 部 级 与 地 方 科 研 项 目 ３０ 余 项 。
０ 引言
近年来 ，在全球 环 境 愈 加 恶 劣 和 我 国 经 济 社 会 快 速 发 展 的 背 景 下，我国自然灾害损失不断加大，重大自然灾害乃至巨灾时有发生，这
２ ２ 西部交通科技
Ｗｅｓｔｅｒｎ Ｃｈｉｎａ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
些对我国的防 灾 减 灾 工 作 都 形 成 了 巨 大 的 考 验。 在 各 类 的 灾 害 研 究 中 ，首 要 关 注 的 是 材 料 受 灾 后 的 性 能 变 化 ，即 灾 害 对 材 料 物 理 力 学 性 能 等 各 个 方 面 的 影 响 ，进 而 分 析 材 料 产 生 损 伤 的 内 部 原 因 等 。 将 破 坏 的 机 理 与 材 料 内 部 性 能 的 改 变 结 合 分 析 ，国 际 上 已 经 有 了 部 分 相 关 研 究 成 果 ，定 性 和 定 量 地 得 到 了 一 些 结 论 ，但 是 系 统 性 还 明 显 不 够 ，因 此 仍 需 国 内外土木工程学者对灾害材料学进行进一步研究。 下面以地震这一典型自然灾害进行例证分析。
Ｍａｔｅｒｉａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｓｅｉｓｍｉｃ Ｆａｉｌｕｒｅ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｃｏｎ－ ｃｒｅｔｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ＬＩＡＮＧ Ｓｈｕａｎｇ，ＸＩＡＯ Ｓｈｅｎｇ－ｘｉｅ，ＰＥＮＧ Ｈａｏ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ， ４０００７４）
１ 地震下钢筋混凝土结构的破坏
１．１ 破坏特征 地震时，在地震波的冲击作用下，复杂的 应 力
状态使钢筋混凝土结构及其构件发生不同程度的 破 坏 。 对 于 不 同 的 混 凝 土 结 构 形 式 ，破 坏 的 特 征 也 不 同 。 对 震 后 工 程 现 场 的 调 查 研 究 结 果 表 明 ，地 震 作用下钢筋混凝土结构一般发生以下几种破坏特 征 ，分 别 为 底 层 破 坏 、中 间 层 破 坏 、叠 饼 式 坍 塌 以 及 整体坍塌，归纳如下：
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ａｎｔｉ－ｄｉｓａｓｔｅｒ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，ｔｈｅ ｐｒｉｍａｒｙ ｃｏｎｃｅｒｎ ｉｓ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｉｎ ｍａｔｅ－ｒｉａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｄｉｓａｓｔｅｒ，ｔｈａｔ ｉｓ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｄｉｓａｓｔｅｒｓ ｏｎ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉ－ ｃａｌ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ａｎｄ ｉｔ ｉｓ ａｌｓｏ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｄａｍａｇｅ ｕｎｄｅｒ ｄｉｓａｓｔｅｒ ｅｆｆｅｃｔｓ．Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｓｔａｒｔｅｄ ｆｒｏｍ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｄａｍａｇｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｆｔｅｒ ｓｅｉｓｍｉｃ ｉｍｐａｃｔ，ａｎｄ ｉｎ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅｓ ｏｆ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｍａｔｅｒｉａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｉｔ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｔｈｅ ｒａｄｉｃａｌ ｃａｕｓｅｓ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄａｍａｇｅ，ａｎｄ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ａｎｄ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｍｅａｓｕｒｅｓ，ａｉｍｉｎｇ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｄｉｓａｓｔｅｒ ｌｏｓｓｅｓ ｉｎ ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ－ ｐｒｏｎｅ ａｒｅａｓ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；Ｓｅｉｓｍｉｃ ｆａｉｌｕｒｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ；Ｍａｔｅｒｉａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ； Ａｎｔｉ－ｓｅｉｓｍｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌｓ
作者简介 梁 爽，硕士研 究 生，主 要 从 事 防 灾 减灾及工程结构材料研究； 彭 浩，硕士研 究 生，主 要 从 事 公 路 桥梁防灾减灾研究工作。 基金项目 国 家 自 然 科 学 基 金 （５０ ８７９０９７）
摘 要 ：在 工 程 结 构 的 抗 灾 研 究 中 ，首 要 关 注 的 是 材 料 受 灾 后 的 性 能 变 化 ，即 灾 害 对 材 料 物 理 力 学 性 能 的 影 响 ，亦 即 材 料 在 灾 害 作 用 下 的 损 伤 。 文 章 从 分 析钢筋混凝土结构受地震作用后的损 害 机 理 入 手，结 合 材 料 内 部 性 能 的 改 变 ，探 讨 了 结 构 损 害 的 根 本 原 因 ，并 提 出 合 理 有 效 的 改 善 措 施 ，以 减 少 地 震 多 发区的灾害损失。 关键词：钢筋混凝土结构；地震破坏机理；材料性能；抗震材料 中图分类号：Ｕ４４４ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．１３２８２／ｊ．ｃｎｋｉ．ｗｃｃｓｔ．２０１４．０１．００６ 文章编号：１６７３－４８７４（２０１４）０１－００２２－０４
结构抗震 的 本 质 就 是 延 性［１］。以 最 常 见 的 钢 筋 混 凝 土 多 层 框 架 结 构 为 例 ，其 结 构 延 性 主 要 体 现
在 构 件 的 非 弹 性 变 形 能 力 上 ，在 保 证 必 要 承 载 力 的 前 提 下 ，通 过 构 件 规 律 的 滞 回 变 形 曲 线 耗 散 地 震 波 传来的能量。主要的耗能机制包括梁铰机制和柱 铰 机 制 ，非 弹 性 变 形 主 要 集 中 在 框 架 节 点 处 和 建 筑 底层的柱 底 附 近，即 容 易 产 生 塑 性 铰 的 梁 端 和 柱 底 ，如 图 １ 所 示 。 多 层 框 架 结 构 的 延 性 与 其 塑 性 铰 形成的区域有很 大 关 系。如 若 未 满 足“强 柱 弱 梁” 的 设 计 方 法 ，柱 中 先 于 梁 中 出 现 塑 性 铰 而 形 成 柱 铰 机制，而柱铰机制对柱的延性要求很高，这在一 般 的 柱 中 往 往 难 以 实 现 ，且 柱 铰 机 制 将 伴 随 着 较 大 的 层间侧移，这不仅会引起结构不稳定，还会危及 结 构 承 受 垂 直 荷 载 的 能 力 ，将 最 终 导 致 整 个 框 架 结 构 的失稳倒塌。
（１）底 层 破 坏 是 较 普 遍 的 破 坏 形 式 。 对 于 底 层 大 空 间 的 高 层 建 筑 ，由 于 底 层 相 对 较 弱 ；对 于 多 层 建 筑 ，由 于 底 层 承 受 的 地 震 剪 力 最 大 ，一 般 均 发 生 此类破坏。
（２）对 有 刚 度 突 变 、结 构 布 置 不 合 理 、有 软 弱 层 的 结 构 ，会 发 生 中 间 层 破 坏 。 对 刚 度 和 质 量 分 布 较 均 匀 的 结 构 ，在 高 阶 振 型 的 地 震 作 用 下 会 发 生 此 种 破坏。
图 １ 柱 铰 机 制 和 梁 铰 机 制 示 意 图
通过对多个震后灾害现场调查，钢筋混凝土多 层框架结构破坏的另一个重要原因是刚度分布不 均 匀［３］。 对 于 多 层 框 架 结 构 ，建 筑 物 各 层 布 置 不 合 理造成刚度突变，地震时各层的运动不协调，在 刚 度 较 弱 的 楼 层 形 成 的 柔 弱 层 变 形 集 中 ，造 成 建 筑 结 构 的 严 重 破 坏 或 倒 塌 。 如 底 层 作 商 铺 ，其 余 层 作 住 宅的框架结构，底层的刚度较小，形 成 薄 弱 层。在 地震时，这一层的框架柱最先出现塑性铰，导致 较 大的残余变形，结构的侧移明显，最终使整体建 筑 物倾斜倒塌。
内力逐渐增加到一定程度，当作用力超过了骨 料 颗 粒 咬 合 或 摩 擦 的 承 载 能 力 ，而 裂 缝 处 在 没 有 箍 筋 的 情 况 下 ，由 于 裂 缝 两 侧 发 生 相 互 滑 移 ，裂 缝 很 快 扩 展 ，并 与 各 个 短 裂 缝 相 互 贯 通 。 此 时 处 在 裂 缝 周 围 的 一 些 骨 料ຫໍສະໝຸດ Baidu颗 粒 在 裂 缝 处 滚 动 ，进 而 加 剧 了 裂 缝 的 滑 移 运 动 ，这 一 阶 段 为 裂 缝 发 展 的 不 稳 定 阶 段 （见 图 ３ 的Ⅲ阶 段 ）。 地 震 中 ，混 凝 土 构 件 的 严 重 破 坏都是在达到这一阶段之后产生的。
（３）柱子或墙体 较 弱，破 坏 后 各 层 楼 板 重 叠 坍 塌 。 当 柱 子 的 截 面 尺 寸 沿 房 屋 高 逐 渐 减 小 时 ，结 构 很容易发生叠饼式的坍塌。
（４）对于框架结 构 产 生 足 够 的 梁 铰 后，形 成 的 侧移机构会引起整体坍塌。虽然这种破坏的破坏 程 度 较 重 ，但 是 ，结 构 坍 塌 以 前 要 经 历 较 大 的 塑 性 变形，结构具有良好的延性性能和耗能能力。 １．２ 破坏机理
２ 材料受地震后内部性能的改变
地震对结构的破坏与灾后材料性能的变化有 着紧 密 的 关 系，下 面 以 钢 筋 混 凝 土 柱 为 例 进 行 说明。
２０１４年第１期 总第７８期 ２３
２．１ 混凝土裂缝发展 钢筋混凝土柱是结构抗震的关键构件，其中混
凝土的损伤过程见图２。
图 ２ 混 凝 土 损 伤 过 程 图
图 ３ 剪 力 － 位 移 曲 线 图
２ ４ 西部交通科技
Ｗｅｓｔｅｒｎ Ｃｈｉｎａ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
２．２ 反复循环荷载下的低周疲劳 钢构件在承受地震作用时往往受到的不是单
一方向的 作 用 力，而 是 受 到 反 复 循 环 荷 载 的 作 用 力，这样钢 筋 混 凝 土 构 件 就 表 现 出 低 周 疲 劳 的 现 象 。 如 受 到 循 环 剪 力 作 用 下 ，构 件 的 裂 缝 相 交 形 成 Ｘ 形，混凝土便被分成多个块 体，更 容 易 发 生 滑 移 破 坏 。 当 受 到 反 向 剪 切 作 用 时 ，会 使 原 来 的 裂 缝 闭 合，但裂缝 两 侧 分 子 间 的 相 互 错 动 并 不 能 恢 复 ，就 形 成 应 力 集 中 ，从 而 降 低 构 件 的 抗 剪 能 力 。 受 拉 区 的 混 凝 土 在 受 到 反 复 弯 剪 作 用 时 也 会 加 速 脱 落 ，使 构件的刚度降低。而且反复荷载使钢筋产生包兴 格 效 应 ，弹 性 极 限 大 幅 降 低 ，变 形 速 度 也 随 之 加 快 。 除 此 之 外 ，反 复 循 环 受 力 会 破 坏 钢 筋 与 混 凝 土 之 间 的 粘 结 作 用 ，使 裂 缝 两 侧 的 混 凝 土 在 剪 力 作 用 下 沿 裂缝面错动明显，在纵筋的销栓作用下，形成沿 纵 筋的撕裂裂缝。
钢筋混凝土结构地震 破坏机理的材料分析
梁 爽 ，肖 盛 燮 ，彭 浩
（重庆交通大学土木建筑学院 ，重庆 ４０００７４）
ＢＲＩＤＧＥ ＡＮＤ ＴＵＮＮＥＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ 桥隧工程
专家信息
ＥＸＰＥＲＴＳ
肖盛燮，重庆交通大 学 教 授，博 士 生 导 师，防灾减灾工程研 究 所 所 长，重 庆 市 首 批 学 术 技 术 带 头 人，重 庆 大 学 博 士 后 流 动 站 合 作 导 师，政 府 特 殊 津 贴 获 得 者，主 要 从 事 桥 梁 结 构 分 析 及 桥 梁 检测加 固 研 究 工 作。 主 持 国 家 级、省 部 级 与 地 方 科 研 项 目 ３０ 余 项 。
０ 引言
近年来 ，在全球 环 境 愈 加 恶 劣 和 我 国 经 济 社 会 快 速 发 展 的 背 景 下，我国自然灾害损失不断加大，重大自然灾害乃至巨灾时有发生，这
２ ２ 西部交通科技
Ｗｅｓｔｅｒｎ Ｃｈｉｎａ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
些对我国的防 灾 减 灾 工 作 都 形 成 了 巨 大 的 考 验。 在 各 类 的 灾 害 研 究 中 ，首 要 关 注 的 是 材 料 受 灾 后 的 性 能 变 化 ，即 灾 害 对 材 料 物 理 力 学 性 能 等 各 个 方 面 的 影 响 ，进 而 分 析 材 料 产 生 损 伤 的 内 部 原 因 等 。 将 破 坏 的 机 理 与 材 料 内 部 性 能 的 改 变 结 合 分 析 ，国 际 上 已 经 有 了 部 分 相 关 研 究 成 果 ，定 性 和 定 量 地 得 到 了 一 些 结 论 ，但 是 系 统 性 还 明 显 不 够 ，因 此 仍 需 国 内外土木工程学者对灾害材料学进行进一步研究。 下面以地震这一典型自然灾害进行例证分析。
Ｍａｔｅｒｉａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｓｅｉｓｍｉｃ Ｆａｉｌｕｒｅ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｃｏｎ－ ｃｒｅｔｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ＬＩＡＮＧ Ｓｈｕａｎｇ，ＸＩＡＯ Ｓｈｅｎｇ－ｘｉｅ，ＰＥＮＧ Ｈａｏ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ， ４０００７４）
１ 地震下钢筋混凝土结构的破坏
１．１ 破坏特征 地震时，在地震波的冲击作用下，复杂的 应 力
状态使钢筋混凝土结构及其构件发生不同程度的 破 坏 。 对 于 不 同 的 混 凝 土 结 构 形 式 ，破 坏 的 特 征 也 不 同 。 对 震 后 工 程 现 场 的 调 查 研 究 结 果 表 明 ，地 震 作用下钢筋混凝土结构一般发生以下几种破坏特 征 ，分 别 为 底 层 破 坏 、中 间 层 破 坏 、叠 饼 式 坍 塌 以 及 整体坍塌，归纳如下：
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ａｎｔｉ－ｄｉｓａｓｔｅｒ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，ｔｈｅ ｐｒｉｍａｒｙ ｃｏｎｃｅｒｎ ｉｓ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｉｎ ｍａｔｅ－ｒｉａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｄｉｓａｓｔｅｒ，ｔｈａｔ ｉｓ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｄｉｓａｓｔｅｒｓ ｏｎ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉ－ ｃａｌ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ａｎｄ ｉｔ ｉｓ ａｌｓｏ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｄａｍａｇｅ ｕｎｄｅｒ ｄｉｓａｓｔｅｒ ｅｆｆｅｃｔｓ．Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｓｔａｒｔｅｄ ｆｒｏｍ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｄａｍａｇｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｆｔｅｒ ｓｅｉｓｍｉｃ ｉｍｐａｃｔ，ａｎｄ ｉｎ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅｓ ｏｆ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｍａｔｅｒｉａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｉｔ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｔｈｅ ｒａｄｉｃａｌ ｃａｕｓｅｓ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄａｍａｇｅ，ａｎｄ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ａｎｄ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｍｅａｓｕｒｅｓ，ａｉｍｉｎｇ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｄｉｓａｓｔｅｒ ｌｏｓｓｅｓ ｉｎ ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ－ ｐｒｏｎｅ ａｒｅａｓ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；Ｓｅｉｓｍｉｃ ｆａｉｌｕｒｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ；Ｍａｔｅｒｉａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ； Ａｎｔｉ－ｓｅｉｓｍｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌｓ
作者简介 梁 爽，硕士研 究 生，主 要 从 事 防 灾 减灾及工程结构材料研究； 彭 浩，硕士研 究 生，主 要 从 事 公 路 桥梁防灾减灾研究工作。 基金项目 国 家 自 然 科 学 基 金 （５０ ８７９０９７）
摘 要 ：在 工 程 结 构 的 抗 灾 研 究 中 ，首 要 关 注 的 是 材 料 受 灾 后 的 性 能 变 化 ，即 灾 害 对 材 料 物 理 力 学 性 能 的 影 响 ，亦 即 材 料 在 灾 害 作 用 下 的 损 伤 。 文 章 从 分 析钢筋混凝土结构受地震作用后的损 害 机 理 入 手，结 合 材 料 内 部 性 能 的 改 变 ，探 讨 了 结 构 损 害 的 根 本 原 因 ，并 提 出 合 理 有 效 的 改 善 措 施 ，以 减 少 地 震 多 发区的灾害损失。 关键词：钢筋混凝土结构；地震破坏机理；材料性能；抗震材料 中图分类号：Ｕ４４４ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．１３２８２／ｊ．ｃｎｋｉ．ｗｃｃｓｔ．２０１４．０１．００６ 文章编号：１６７３－４８７４（２０１４）０１－００２２－０４
结构抗震 的 本 质 就 是 延 性［１］。以 最 常 见 的 钢 筋 混 凝 土 多 层 框 架 结 构 为 例 ，其 结 构 延 性 主 要 体 现
在 构 件 的 非 弹 性 变 形 能 力 上 ，在 保 证 必 要 承 载 力 的 前 提 下 ，通 过 构 件 规 律 的 滞 回 变 形 曲 线 耗 散 地 震 波 传来的能量。主要的耗能机制包括梁铰机制和柱 铰 机 制 ，非 弹 性 变 形 主 要 集 中 在 框 架 节 点 处 和 建 筑 底层的柱 底 附 近，即 容 易 产 生 塑 性 铰 的 梁 端 和 柱 底 ，如 图 １ 所 示 。 多 层 框 架 结 构 的 延 性 与 其 塑 性 铰 形成的区域有很 大 关 系。如 若 未 满 足“强 柱 弱 梁” 的 设 计 方 法 ，柱 中 先 于 梁 中 出 现 塑 性 铰 而 形 成 柱 铰 机制，而柱铰机制对柱的延性要求很高，这在一 般 的 柱 中 往 往 难 以 实 现 ，且 柱 铰 机 制 将 伴 随 着 较 大 的 层间侧移，这不仅会引起结构不稳定，还会危及 结 构 承 受 垂 直 荷 载 的 能 力 ，将 最 终 导 致 整 个 框 架 结 构 的失稳倒塌。
（１）底 层 破 坏 是 较 普 遍 的 破 坏 形 式 。 对 于 底 层 大 空 间 的 高 层 建 筑 ，由 于 底 层 相 对 较 弱 ；对 于 多 层 建 筑 ，由 于 底 层 承 受 的 地 震 剪 力 最 大 ，一 般 均 发 生 此类破坏。
（２）对 有 刚 度 突 变 、结 构 布 置 不 合 理 、有 软 弱 层 的 结 构 ，会 发 生 中 间 层 破 坏 。 对 刚 度 和 质 量 分 布 较 均 匀 的 结 构 ，在 高 阶 振 型 的 地 震 作 用 下 会 发 生 此 种 破坏。
图 １ 柱 铰 机 制 和 梁 铰 机 制 示 意 图
通过对多个震后灾害现场调查，钢筋混凝土多 层框架结构破坏的另一个重要原因是刚度分布不 均 匀［３］。 对 于 多 层 框 架 结 构 ，建 筑 物 各 层 布 置 不 合 理造成刚度突变，地震时各层的运动不协调，在 刚 度 较 弱 的 楼 层 形 成 的 柔 弱 层 变 形 集 中 ，造 成 建 筑 结 构 的 严 重 破 坏 或 倒 塌 。 如 底 层 作 商 铺 ，其 余 层 作 住 宅的框架结构，底层的刚度较小，形 成 薄 弱 层。在 地震时，这一层的框架柱最先出现塑性铰，导致 较 大的残余变形，结构的侧移明显，最终使整体建 筑 物倾斜倒塌。
内力逐渐增加到一定程度，当作用力超过了骨 料 颗 粒 咬 合 或 摩 擦 的 承 载 能 力 ，而 裂 缝 处 在 没 有 箍 筋 的 情 况 下 ，由 于 裂 缝 两 侧 发 生 相 互 滑 移 ，裂 缝 很 快 扩 展 ，并 与 各 个 短 裂 缝 相 互 贯 通 。 此 时 处 在 裂 缝 周 围 的 一 些 骨 料ຫໍສະໝຸດ Baidu颗 粒 在 裂 缝 处 滚 动 ，进 而 加 剧 了 裂 缝 的 滑 移 运 动 ，这 一 阶 段 为 裂 缝 发 展 的 不 稳 定 阶 段 （见 图 ３ 的Ⅲ阶 段 ）。 地 震 中 ，混 凝 土 构 件 的 严 重 破 坏都是在达到这一阶段之后产生的。