地震作用下结构的性能

1、地震作用下混凝土结构的性能,同济大学土木工程学院建筑工程系顾祥林,一、地震对混凝土结构的危害,1995年日本阪-神大地震的震害统计结果（1626幢钢筋混凝土结构房屋）,一、地震对混凝土结构的危害,面临的问题,*如何分析结构的地震反应？,*如何保证结构大震不倒？,二、地震作用下混凝土结构的破坏特征,底层破坏,*较普遍的破坏形式。对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。,*1995年阪神地震后，据西宫、民崎、伊丹和宝家市的调查，在34栋倒塌、严重破坏的钢筋混凝土结构中，有30栋是底层破坏。,二、地震作用下混凝土结构的破坏特征,中间层破

2、坏,*对有刚度突变、结构布置不合理、有软弱层的结构，会发生这种破坏。,*对刚度和质量分布较均匀的结构，在高阶振型的作用下也会发生此种破坏。,*阪神大地震时，神户市中央区三宫附近至少有10幢房屋属这种破坏，这些房屋多为写字楼,610层，破坏的层次为36层，且各层均具有相同的平面形状。1990年菲律宾吕宋岛地震时很多房屋也出现过类似的破坏。,二、地震作用下混凝土结构的破坏特征,叠饼式的坍塌,* 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。1985年墨西哥地震和1995年阪神地震时出现过多起这种破坏形式。,二、地震作用下混凝土结构的破坏

3、特征,底层或中间层破坏引起的整体倒塌,*由于底层或中间某些重要构件破坏而使上部结构倒塌。,*1990年菲律宾棉吕宋岛地震时，该岛碧瑶的一宾馆（Hyatt Terrace Hotel in Baguio）整体倒塌13-2。1976年唐山地震时，天津碱厂蒸吸塔工程13层高的钢筋混凝土框架结构7层以上全部倒塌。,二、地震作用下混凝土结构的破坏特征,整体坍塌,*框架结构产生足够的梁铰后，形成的侧移机构而引起的倒塌。,*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。结构设计时一般都希望结构出现此类破坏。,三、钢筋混凝土构件的抗震性能 1. 钢筋混凝

4、土柱,三、钢筋混凝土构件的抗震性能 1. 钢筋混凝土柱,三、钢筋混凝土构件的抗震性能 2. 钢筋混凝土墙体,三、钢筋混凝土构件的抗震性能 3. 钢筋混凝土梁-柱节点,四、钢筋混凝土结构延性分析 1. 延性的基本概念,小震不坏；中震可修；大震不倒,由于地震作用与结构本身的特性密切相关且由于钢筋混凝土结构的弹塑性性能，单纯提高结构的强度以保证大震不倒是不经济也是不科学的，应该在保证结构具有足够强度的同时，使其在超过弹性后具有足够的变形能力来吸收和耗散地震能,结构（或构件）超过弹性后的变形能力即为结构（或构件）的延性,四、钢筋混凝土结构延性分析 1. 延性的基本概念,延性系数, u / y,结构的极

5、限位移,结构的屈服位移,四、钢筋混凝土结构延性分析 1. 延性的基本概念,抗震设计时对延性系数的要求,认为在相同地震作用下，这两种结构达到的最大挠度相同,认为两个结构体系达最大挠度时所储存的变形势能相同,弹塑性水平地震作用与弹性水平地震作用的比值,四、钢筋混凝土结构延性分析 1. 延性的基本概念,抗震设计时对延性系数的要求,两点认识： 11) 结构设计时，若地震作用的取值小于弹性水平地震作用，就要求有足够大的延性系数与之对应； 22) 若地震作用相同，结构的延性系数越大，安全储备亦越大。,目前大多数国家的设计规范考虑到混凝土结构的塑性性能，其水平地震作用的标准值都小于弹性水平地震作用的反应值。

6、根据二者的比值R可以估算出结构所需的延性系数，一般地取35,四、钢筋混凝土结构延性分析 2. 框架结构的延性,梁柱截面的弯曲延性, u/ y,截面的极限曲率,截面的屈服曲率,四、钢筋混凝土结构延性分析 2. 框架结构的延性,材料强度、配筋对梁柱截面的弯曲延性的影响,四、钢筋混凝土结构延性分析 2. 框架结构的延性,材料强度、配筋对梁柱截面的弯曲延性的影响,*在正常配筋的条件下，梁截面的曲率延性系数一般均小于30,*混凝土的强度越高，梁截面的延性越好；钢筋的强度越高，梁截面的延性越差,*配置受压钢筋可以提高截面的延性,*受拉钢筋的含量越高，截面的延性越差，但当截面受拉钢筋的配筋率大于0.02时，

7、截面延性减小的速度趋于平缓,四、钢筋混凝土结构延性分析 2. 框架结构的延性,轴向力对梁柱截面的弯曲延性的影响,比较图中的结果可知，柱截面的曲率延性系数远小于梁截面的曲率延性系数，且随着轴向压力的增加，延性不断降低,四、钢筋混凝土结构延性分析 2. 框架结构的延性,圆箍或螺旋箍筋对柱截面的弯曲延性的影响,四、钢筋混凝土结构延性分析 2. 框架结构的延性,位移延性系数与曲率延性系数间的关系-简化分析方法,假定只受水平荷载的悬臂钢筋混凝土柱在弹性区段和弹塑性区段的曲率均为线性分布。应用共轭梁法可求出该柱的柱顶位移：,塑性铰区段的长度,柱的高度,四、钢筋混凝土结构延性分析 2. 框架结构的延性,位移

8、延性系数与曲率延性系数间的关系-简化分析方法,取4,截面的曲率延性系数大于相应的柱的位移延性系数，即要使柱达到所希望的位移延性必须有更好的截面曲率延性来保证；对于矮而宽的短柱（或钢筋混凝土剪力墙），曲率延性系数和位移延性系数却有相同的数量级,四、钢筋混凝土结构延性分析 2. 框架结构的延性,位移延性系数与曲率延性系数间的关系-简化分析方法,对于水平侧向荷载作用下的多层钢筋混凝土框架结构，假定：,*杆件各截面均有二折线的弯矩曲率关系,*只考虑构件的弯曲变形,*全部临界截面处的屈服现象都在同一荷载下开始，而且有足够多的截面出现塑性铰以形成机构,*框架承受线性分布的倒三角形荷载,四、钢筋混凝土结构延

9、性分析 2. 框架结构的延性,位移延性系数与曲率延性系数间的关系-简化分析方法,当荷载增至恰好使框架屈服时，一根典型柱子的曲率分布如图所示,四、钢筋混凝土结构延性分析 2. 框架结构的延性,位移延性系数与曲率延性系数间的关系-简化分析方法,lc,若10, 2= =n=0.5，则有,四、钢筋混凝土结构延性分析 2. 框架结构的延性,位移延性系数与曲率延性系数间的关系-简化分析方法,若结构的第i层是薄弱层，结构将会出现图所示的破坏机构,薄弱层中各个柱铰处的容许塑性转动角为：,四、钢筋混凝土结构延性分析 2. 框架结构的延性,位移延性系数与曲率延性系数间的关系-简化分析方法,对于钢筋混凝土柱来说如此

10、大的截面延性一般很难满足,四、钢筋混凝土结构延性分析 2. 框架结构的延性,位移延性系数与曲率延性系数间的关系-简化分析方法,对于“强柱弱梁”形的框架结构（即梁铰型的侧移机构）可以作出类似的分析。结果表明，相应于4，梁铰处截面的曲率延性系数为,对钢筋混凝土梁截面来说，满足这样的要求是可以做到的。由此可以看出在钢筋混凝土框架结构的抗震设计中强调“强柱弱梁”的理由,四、钢筋混凝土结构延性分析 2. 框架结构的延性,位移延性系数与曲率延性系数间的关系-精确分析方法,钢筋混凝土框架结构的位移延性系数和构件截面的曲率延性系数间的关系是一个非常复杂的问题。即使是水平单调加载，由于结构的内力重分布，截面也处

11、在不断地“加载”和“卸载”的动态过程中。水平荷载作用下结构的破坏过程实际上是构件中塑性铰出现消失又出现的动态过程。因此，要作精确的延性分析必须借助于计算机仿真分析技术,单调水平加载时的计算机仿真分析,地震波直接作用下的计算机仿真分析,四、钢筋混凝土结构延性分析 2. 框架结构的延性,结构延性设计的步骤,四、钢筋混凝土结构延性分析 2. 框架结构的延性,GB50010及ACI318规范保证梁柱截面延性的构造措施,我国的混凝土结构设计规范（GB50010）规定，梁端截面必须配置受压钢筋As，其配筋量应满足： 一级抗震等级 二、三级抗震等级 同时限制混凝土受压区的高度以保证梁截面的延性，具体要求是：

12、 一级抗震等级 二级、三级抗震等级,四、钢筋混凝土结构延性分析 2. 框架结构的延性,GB50010及ACI318规范保证梁柱截面延性的构造措施,美国房屋建筑设计规范(ACI31895)也有类似的规定：梁顶和底部钢筋的配筋率（As/bd及As/bd）均不得超过0.025，并且通常取As/bd0.015；梁中受压钢筋的用量至少为受拉钢筋的一半即s0.5s,另外，GB50010和ACI31895均规定在梁端的一定范围内对箍筋进行加密以达到约束核心区混凝土、避免塑性铰区受压钢筋压屈、且能提供足够的抗剪强度的目的,四、钢筋混凝土结构延性分析 2. 框架结构的延性,GB50010及ACI318规范保证梁柱截面延性的构造措施,*GB50010采用限制截面尺寸(柱截面的宽度300mm，柱净高与截面高度或圆柱直径之比不宜小于4)，限制轴压比以及加密柱端箍筋的方法来保证柱截面的延性,*ACI31895主要是通过限制截面尺寸和设置约束箍筋的方法来保证柱截面的延性。柱截面的最小尺寸为1