摘 要：保證結(jié)構(gòu)的延性是提高建筑抗震性能的重要措施，在地震區(qū)的結(jié)構(gòu)都應(yīng)設(shè)計成延性結(jié)構(gòu)。本文探討了延性的提出過程、總結(jié)了延性的定義。分析了如何在設(shè)計中合理考慮砌體結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的延性。并建議多通過結(jié)構(gòu)的一些概念設(shè)計來保障結(jié)構(gòu)的延性。

關(guān)鍵詞：抗震設(shè)計；延性；概念設(shè)計

中圖分類號：TU313 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1008-0422(2007)05-0084-02

1 延性的提出

1961年，美國波特蘭水泥協(xié)會(PCA)制定的《多層鋼筋混凝土建筑抗震設(shè)計》手冊中，引入了延性和延性系數(shù)的概念。后來，以紐馬克為首的研究人員提出用延性的概念來表示結(jié)構(gòu)和構(gòu)件超過彈性階段的抗震能力。他們認(rèn)為強(qiáng)度、剛度、延性是工程抗震設(shè)計的三要素。

延性的提出還跟人們對地震不斷深入地理解有關(guān)。最初，人們認(rèn)為對于工程抗震來說地震是一種力。但后來人們發(fā)現(xiàn)地震帶給結(jié)構(gòu)的作用主要是使結(jié)構(gòu)發(fā)生變形和耗能。所以，與其說地震是一種力，不如說地震是一種作用一通常稱為地震作用。經(jīng)過了幾次大的地震以后，發(fā)現(xiàn)光有好的強(qiáng)度和剛度也不能保證結(jié)構(gòu)在地震中的安全，結(jié)構(gòu)在非彈性變形的積累過程中維持結(jié)構(gòu)的初始強(qiáng)度的能力也很重要。所以，在以后的40多年里(至今)，延性引起了幾乎所有的工程抗震設(shè)計人員的興趣?，F(xiàn)行各國普遍采用的概念設(shè)計和能力設(shè)計的這兩種抗震設(shè)計方法都與延。性密切相關(guān)。

2 延性的定義

延性是指結(jié)構(gòu)、構(gòu)件、材料在初始強(qiáng)度沒有明顯下降的情況下的非彈性變形(或反復(fù)彈塑性變形)的能力。延性反應(yīng)了結(jié)構(gòu)承受極大變形的能力和耗能的能力。耗能的能力主要體現(xiàn)在利用滯回特性吸收能量。

所有的力一變形曲線，有兩類典型的性狀：一類曲線有明顯的尖峰，達(dá)到最大承載力后急劇下跌：另一類曲線在達(dá)到最大承載力的前后有可觀的平臺，即能夠承受很大的變形和耗能，而強(qiáng)度沒有明顯降低。前者一般稱脆性，后者稱延性。

通常我們考慮延性時要考慮四個方面的延性，他們是材料的延性、截面的延性、構(gòu)件的延性、結(jié)構(gòu)體系的延性。

(1)材料的延性材料的延性通常由材料的應(yīng)力一應(yīng)變曲線來體現(xiàn)，如混凝土的受壓、受拉曲線，鋼筋的拉伸曲線，鋼筋和混凝土的粘結(jié)一滑移曲線。在發(fā)生較大的非彈性變形時強(qiáng)度仍沒有明顯下降的材料稱為延性材料。一般說來砌體、素混凝土屬于脆性材料，鋼材屬于延性材料，鋼筋混凝土介于兩者之間。

(2)構(gòu)件截面的延性構(gòu)件截面的延性在受彎構(gòu)件中通常由受彎構(gòu)件的彎矩一曲率曲線來體現(xiàn)：在受扭構(gòu)件中通常由受扭構(gòu)件的扭矩一扭轉(zhuǎn)角曲線來體現(xiàn)。

(3)構(gòu)件的延性梁的延性通常用梁的荷載一跨中撓度、荷載一支座轉(zhuǎn)角曲線來體現(xiàn)，柱的延性通常用柱的軸力一變形曲線、軸力一中點側(cè)向位移曲線(編心柱)來體現(xiàn)。構(gòu)件的延性通常又稱為局部的延性。延性好的梁柱構(gòu)件通常在有較大的非彈性變形時，其承載力不會有明顯下降。

(4)結(jié)構(gòu)體系的延性結(jié)構(gòu)體系的延性通常由水平荷載－頂層水平位移，水平荷載一層間位移曲線來體現(xiàn)。結(jié)構(gòu)體系的延性通常又稱為整體的延性。

這四種延性不是孤立的，是息息相關(guān)的。一般說來，好的延性材料易做出好的延性構(gòu)件，好的延性構(gòu)件又易形成好的延性結(jié)構(gòu)體系。舉個例子來說，如鋼材是一種好的延性材料，我們可以用鋼材做出延性好的鋼梁和鋼柱，我們又可以利用這些鋼梁和鋼柱建成延性好的鋼框架結(jié)構(gòu)。但這也不是絕對的，例如我們在一個結(jié)構(gòu)體系中大量的使用了延性好的材料，如鋼材，但是我們設(shè)計的鋼柱、鋼梁的截面不合理，我們就不會得到好的延性構(gòu)件。既便我們有了大量好的延性構(gòu)件，如果我們沒有注意結(jié)構(gòu)整體的屈服機(jī)制，我們也不會得到好的延性體系。這就會影響房屋抗震設(shè)計的設(shè)計質(zhì)量。

3 延性與砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1976年，中國發(fā)生了震級為里氏7.8級的唐山大地震。在這次大地震中，市區(qū)大部分為地震烈度高達(dá)11度的極震區(qū)，民用建筑幾乎全部倒塌，90％的工業(yè)建筑被毀。唐山市區(qū)震前共有多層磚石房屋1187幢，其中771全毀，162幢部分倒塌，倒塌率為78.6％，破壞率為97.2％，基本完好的不到3％。經(jīng)過唐山大地震的慘重教訓(xùn)，人們深刻感受到需要為砌體結(jié)構(gòu)找到一條在遭遇到強(qiáng)烈地震時能夠防止突然倒塌的可靠途徑，這就促使我們要解決一個問題一如何改善砌體結(jié)構(gòu)的延性。

這里主要講有代表性的幾種砌體結(jié)構(gòu)如何改善其延性。

(1)脆性砌體結(jié)構(gòu)

脆性砌體結(jié)構(gòu)是原來我們通常認(rèn)為的砌體結(jié)構(gòu)，如磚石結(jié)構(gòu)、無筋砌塊結(jié)構(gòu)等。在現(xiàn)代砌體結(jié)構(gòu)中，主要是利用一些延性好的材料如鋼絲網(wǎng)、鋼薄板、纖維(如碳纖維、玻璃纖維等)與砌體形成一種混和結(jié)構(gòu)以改善原用結(jié)構(gòu)的延性或者直接對砌體施加預(yù)應(yīng)力以改善其延性(英國在這方面作了許多研究工作)。

(2)墻一構(gòu)造柱組合結(jié)構(gòu)

在唐山大地震中，人們發(fā)現(xiàn)在砌體結(jié)構(gòu)中加上構(gòu)造柱以后，能夠提高砌體結(jié)構(gòu)的大震下的彈塑性變形性能，也就是說構(gòu)造柱在一定的程度下可以提高砌體結(jié)構(gòu)的延性。在中美、南美、東歐和中國經(jīng)常采用在砌體結(jié)構(gòu)中加圈梁和構(gòu)造柱以在砌體周圍形成一個弱型框架體系，用以增加結(jié)構(gòu)的整體延性。

國立墨西哥大學(xué)工學(xué)院梅利(R.Meli)等人，用足尺的單片磚墻作單向和循環(huán)交替?zhèn)认蛄ψ饔孟碌撵o力試驗，試驗證明：即使磚墻配筋很少，也能改變磚墻的脆性而使其具有較大的延性。前蘇聯(lián)中央建筑科學(xué)院用鋼筋混凝土構(gòu)造柱進(jìn)行了砌體結(jié)構(gòu)的抗震加固的試驗，試驗表明·當(dāng)墻體垂直壓力加大，可提高墻體的初裂荷載和破壞荷載，但同時墻體的脆性也隨之增加(這有點類似于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的柱子的軸壓比，隨著柱子軸壓比的增大柱子的延性會降低，而其脆性會增加)，在相同的垂直壓力下，提高砌體的砂漿強(qiáng)度等級，也可增強(qiáng)墻體的初裂荷載和破壞荷載，但同樣使結(jié)構(gòu)的脆性增大，羅馬尼亞建研院的試驗得出的結(jié)論是：設(shè)置鋼筋混凝土構(gòu)造柱和水平圈梁后，其剛度并無明顯變化，但強(qiáng)度可提高55％，變形能力可增大5倍。

以上可以看出，墻——構(gòu)造柱組合體系可以較明顯地改善砌體結(jié)構(gòu)的延性，同時也可以提高砌體結(jié)構(gòu)的豎向承載能力和水平承載能力。

4 延性與混凝土結(jié)構(gòu)

我國的鋼筋混凝土設(shè)計規(guī)范沒有對抗震結(jié)構(gòu)的延性系數(shù)提出具體要求，但是在計算和構(gòu)造的規(guī)定中給出了一定的措施，也就是我們通常所說的概念設(shè)計。這些具體措施包括如下一些內(nèi)容。

4．1 構(gòu)件設(shè)計的原則，如“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)剪弱彎”、“強(qiáng)節(jié)點弱桿件”以保證結(jié)構(gòu)在地震作用下的破壞是延性破壞，而非脆性破壞。

4．2 限制構(gòu)件截面的極限狀態(tài)時受壓區(qū)的相對高度和柱的軸壓比以及高強(qiáng)度等級鋼筋的使用。

4．3 減小構(gòu)件的最大配筋率的限值，增大構(gòu)件的最小配筋率的限值，加大鋼筋的錨固長度。

在鋼筋混凝土構(gòu)件的延性分析中，對設(shè)計來說，最基本的延性指標(biāo)是截面的曲率延性，構(gòu)件的位移延性可以按照有關(guān)假設(shè)和公式用曲率延性來導(dǎo)出。在截面的延性計算中，箍筋和軸壓比是影響延性的兩個基本因素。確定曲率延性同這兩個指標(biāo)的關(guān)系是延性計算的主要任務(wù)。

在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，塑性鉸與延性有著很密切的關(guān)系。鋼筋混凝土塑性鉸分為兩種，一種是受壓鉸，另一種是受拉鉸。受拉鉸是由于受拉鋼筋屈服后產(chǎn)生較大的塑性變形而形成的；這種情況多發(fā)生于受彎及大偏心受壓構(gòu)件中。受壓鉸是由于受壓混凝土的塑性變形而形成的；這種情況多發(fā)生于小偏心受壓構(gòu)件以及超筋受彎構(gòu)件中。這兩種鉸的延性有很大的差別。受拉鉸的延性比較好，有較大吸收能量的能力；在抗震設(shè)計中，盡可能使得構(gòu)件出現(xiàn)受拉鉸。受壓鉸在實際工程中應(yīng)盡量避免，因此我們常用加密箍筋或改變箍筋形式以形成約束混凝土來盡可能地增加混凝土受壓時的塑性變形。

5 考慮結(jié)構(gòu)延性進(jìn)行設(shè)計的兩個方向

考慮結(jié)構(gòu)延性進(jìn)行設(shè)計有兩個大的方向，一個是延性的確定性設(shè)計，另一個是延性的非確定性設(shè)計。確定性研究主要是指我們?nèi)绾伟蜒有灾笜?biāo)具體化，如何對延性進(jìn)行精確的計算。在這方面，很多學(xué)者和設(shè)計專家作了很多的研究工作但結(jié)果并不理想。延性的非確定性研究實際上就是如何更好的把延性的研究成果用于結(jié)構(gòu)抗震的概念設(shè)計。比如，我們可以通過我們做的各種結(jié)構(gòu)抗震分析的試驗以及我們做的抗震理論研究分析各種結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的延性主要受哪些因素的影響：截面尺寸、材料性質(zhì)、剪跨比、軸壓比、體積配筋率、箍筋形式等各種因素都可能影響結(jié)構(gòu)的延性。我們千萬不能忽視工程抗震的概念設(shè)計，因為我們對延性進(jìn)行精確性分析的時候，其實假定了很多條件。而在實際工程中，這些條件并不一定能夠滿足。這時候，我們就需要概念設(shè)計來加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的延性。