探讨钢筋混凝土框架梁柱节点的抗震加固

时间:2023-01-17 04:05:57 作者:向往的晨曦 综合材料 收藏本文 下载本文

【导语】“向往的晨曦”通过精心收集,向本站投稿了9篇探讨钢筋混凝土框架梁柱节点的抗震加固,下面是小编帮大家整理后的探讨钢筋混凝土框架梁柱节点的抗震加固,希望对大家的学习与工作有所帮助。

篇1:探讨钢筋混凝土框架梁柱节点的抗震加固

探讨钢筋混凝土框架梁柱节点的抗震加固

【摘要】国内外多次地震的实践证明,钢筋混凝土框架结构具有良好的抗震性能,使得这一结构形式得以广泛使用。常用的框架结构有三种体系,即:内框架、纯框架和框架一剪力墙结构体系。文章对钢筋混凝土框架梁柱节点的抗震加固方面作了详尽的阐述和探讨。

【关键词】框架;节点;抗震加固

中图分类号:TU37 文献标识码:A 文章编号:1006-0278(2013)01-099-01

不论何种框架结构,都有框架节点。节点是一个重要的结构部位,它在框架中起着传递和分配内力、保证结构整体性的作用。纯框架结构的节点受力大,要求严。框架一剪力墙结构由于水平力主要由剪力墙承担,节点的受力比纯框架中的略小,要求可适当放宽。至于装配式框架,节点更是一个薄弱坏节。

由于节点处梁柱数目的比例不同,节点受力状况也是不一样的,如顶层边柱节点是一个拐角节点,受荷后节点受张开或闭合的弯矩,而梁柱的钢筋都要在核心区锚固,受力比较复杂,节点核心区容易发生破坏。十字形的中柱节点由于四周有梁的约束,比较安全,但在强烈地震作用下,节点两侧的梁端可能均达到很大的剪力,容易发生核心区剪切破坏。

一、节点的强度

(一)节点的受力特点

根据结构力学的分析,我们得到一结论:在竖向荷载作用下,中柱节点核心区受剪力较小,边柱节点核心区受剪力较大。在水平荷载作用下,节点受水平剪力很大,一般为柱子的4~6倍,在水平剪力和轴向压力的共同作用下,节点核心区将产生很大的斜拉力,使混凝土产生斜裂缝,发生剪切破坏。

(二)影响节点抗震强度的.因素

1.轴向力。轴向压力在一定范围内对节点抗震是有利的,但是对于是否提高节点极限抗剪强度观点还不一致。但是轴压比不大于0.8时,一般认为有利于节点抗剪,可提高节点延性,减轻节点破坏程度。

2.水平箍筋。混凝土初裂时节点抗剪能力不受箍筋多少的影响。节点抗剪强度和配箍率之间是非线性的,抗剪强度不是按(Vc+Vs)那样按比例增加,且配箍率过高会引起混凝土破坏先于箍筋屈服的后果,使节点核心区的抗剪强度达不到预计的最大值。

3.柱子的纵向钢筋。柱子纵筋对节点抗剪是有利的,但不像增加水平箍筋那样能提高节点的抗剪强度。

4.垂直钢筋。设置垂直钢筋可承担节点剪力的垂直分量,以减小混凝土负担,从而提高节点强度,节点延性也有明显增加,但抗初裂强度未提高。

5.直交梁。对提高核心区抗剪强度有明显作用。

6.楼板和梁腋。楼板具有增强对节点的约束和提高梁的抗弯能力的作用。对梁加腋使节点抗剪的有效体积有所增加,提高抗剪强度和刚度,有利于实现强柱弱梁。

7.偏心影响。同梁柱无偏心的情况相比,其承载能力要降低50%~70%。

(三)节点的变形

节点的变形主要包括节点中心区的剪切变形和梁端对柱边的转动,这种转动是梁筋滑动(从柱中拔出)而引起的。也就是说,当结构进入非弹性阶段后,承受高弯曲、高剪切和轴向力的节点区将产生弯曲变形(染端对柱边的转动)这三种非弹性变形。

(四)节点的延性

延性是反映结构、构件或材料非弹性变形能力的一个度量指标。对于节点的延性要求,主要是对邻近核心区的梁端和柱端而言的,要求梁端和柱端有较大的变形能力,即使出现塑性铰也不至于产生梁柱剪切破坏。

(五)节点的破坏形式

根据震害的试验结果,节点的破坏形式可分为以下四种。

1.梁端受弯破坏。受拉钢筋屈服,受压区混凝土压碎。混凝土保护层脱落,梁上交叉斜裂缝严重,梁端形成塑性铰。

2.柱端压弯破坏。在弯矩和轴向力的共同作用下,柱端混凝土受压破坏,柱筋压曲,箍筋外鼓或崩断,柱端形成塑性铰。

3.锚固破坏。梁受力筋锚固长度不足,在反复荷载作用下,钢筋与混凝土的粘结先行破坏,钢筋滑移,或混凝土压酥,梁筋拔出,而此时梁筋尚未达到屈服。

4.核心区剪切破坏。在水平力作用下,节点核心区抗剪强度不足,产生斜向对角裂缝或交叉裂缝。严重时混凝土成块剥落,箍筋外鼓或崩断。

上述第一种弯曲破坏属延性破坏,其余三种皆属脆性破坏,应设法避免。节点破坏的主要原因是混凝土缺少约束,节点配筋不足,钢筋锚固不当以及施工质量不良等引起,也就是说,要从强度和延性构造两个方面采取措施,也提高节点的抗震性能。

二、节点抗震加固研究

(一)加固计算承载力原则

1.结构的计算简图应根据结构实际受力情况确定。

2.结构的计算载面积,应采用实际有效载面积,并考虑结构在加固时的实际受力情况和加固部分应变滞后的特点,以及加固部分一结构协同工作的程度。

3.进行结构的承载力验算时,应考虑实际荷载偏心、结构变形、温度作用等造成的附加内力。

4.加固后使结构重量增大时,尚应对被加固的相关结构及建筑物基础进行验算。

(二)加固方法的比较和研究

1.加大载面加固法是采用增大混凝土构件的载面面积,以提高其承载力和满足正常使用的一种加固方法,鉴于加腋梁能有效地提高节点核心区的抗剪载面积,从而提高抗剪强度和刚度,在不影响使用功能的前提下,通过对梁加腋来加固节点是非常有效的。

2.外包粘钢加固法是在混凝土构件外部粘贴钢板,以43提高承载力和满足正常使用的加固方法。该加固方法具有以下优点:是被加固构件基本不受损伤,可以充分发挥原构件的作用;是外粘钢厚度小,加固后构件自重增加少;是加固后构件的外形尺寸变化不大,对建筑功能影响极小,且施工工艺简便。

3.外包钢加固是在混凝土构件四周以型钢的加固方法(分干式和湿式两种形式)。适用于使用上不允许增大混凝土载面尺寸,而又需要大幅提高承载力的混凝土结构的加固。

4.锚贴钢材加固法是通过铆钉、锚栓、高强螺栓、高强承压螺栓、膨胀螺栓等机械的方法,将钢材贴在被加固构件表面,达到改善构件性能的目的,锚贴钢材的形式可多种多样,如钢板、槽钢、角钢及组合构件。

5.粘贴和锚贴共同作用的复合加固方法。这种方法使钢材屈服前锚接的压力减轻了胶体内的剪应力,在胶体粘结作用上,外贴钢材与原构件变形协调,当钢材屈服以致造成胶体破坏后,锚栓和螺栓承担全部锚固作用,外贴钢材可以继续发挥其延性,保证构件的延性破坏。

篇2:用钢筋混凝土套加固梁柱时有哪些要求?

2 柱套的纵向钢筋遇到楼板时,应凿洞穿过并上下连接,其根部应伸入基础并满足锚固要求,其顶部应在屋面板处封顶锚固;梁套的纵向钢筋应与柱可靠连接。

3 加固后梁、柱按整体截面进行抗震验算,新增的混凝土和钢筋的材料强度应乘以规定的折减系数。

篇3:混凝土框架节点碳纤维布抗震加固的试验与分析

混凝土框架节点碳纤维布抗震加固的试验与分析

本文提出了用碳纤维布加固平面框架中间节点和空间框架中间节点的抗震加固新方法,通过5个框架中间节点(其中2个为拟三维节点)的足尺拟静力试验,以及用有限元软件ANSYS进行分析,验证了本文加固方法的'有效性.试验与分析结果表明,对平面框架梁柱节点,本文的2种加固方法均能显著改善构件的延性,承载力也有一定的提高;对空间框架梁柱节点,采用碳纤维布与三角钢腋联合加固不但能够大大提高构件延性,而且能够提高节点的屈服强度、极限强度和屈服后刚度,加固效果十分明显.

作 者:冼巧玲 江传良 周福霖 XIAN Qiaoling JIANG Chuanliang ZHOU Fulin  作者单位:广州大学,广东,广州,510405 刊 名:地震工程与工程振动  ISTIC PKU英文刊名:JOURNAL OF EARTHQUAKE ENGINEERING AND ENGINEERING VIBRATION 年,卷(期):2007 27(2) 分类号:P315.958 P315.97 关键词:混凝土框架   梁柱节点   碳纤维布   抗震加固   ANSYS分析  

篇4:隔板贯通式梁柱节点抗震性能试验研究

隔板贯通式梁柱节点抗震性能试验研究

设计了低周反复荷载作用下3个十字形足尺隔板贯通式梁柱节点试件(其中2个节点的柱子浇筑了混凝土,1个为空钢管)的'拟静力试验.通过研究拟静力试验所得的滞回曲线求得该节点的等效阻尼比,衡量它的耗能能力.从恢复力特性曲线得到了和一次加载相接近的骨架曲线,节点的初始刚度和刚度退化等参数.通过这些从强度、变形和能量等三方面判别和鉴定隔板贯通式梁柱节点的抗震性能,并得出了一些具有参考价值的结论.

作 者:李黎明 陈志华 李宁 Li Liming Chen Zhihua Li Ning  作者单位:天津大学,建筑工程学院,天津,300072 刊 名:地震工程与工程振动  ISTIC PKU英文刊名:JOURNAL OF EARTHQUAKE ENGINEERING AND ENGINEERING VIBRATION 年,卷(期):2007 27(1) 分类号:P315.97 关键词:方矩管混凝土柱   隔板贯通式节点   拟静力试验   抗震性能   滞回曲线  

篇5:钢筋混凝土房屋抗震承载力不满足的加固方法有哪些?

钢筋混凝土房屋抗震承载力不满足的加固方法有哪些?

1 单向框架应加固,或改为双向框架,或采取加强楼、屋盖整体性且同时增设抗震墙、抗震支撑等抗侧力构件的措施,

2 单跨框架不符合鉴定要求时,应在不大于框架抗震墙结构的抗震墙最大间距且不大于24m的间距内增设抗震墙、翼墙、抗震支撑等抗侧力构件或将对应轴线的单跨框架改为多跨框架。

3 框架梁柱配筋不符合鉴定要求时,可采用钢构套、现浇钢筋混凝土套或粘贴钢板、碳纤维布、钢绞线网聚合物砂浆面层等加固,

4 框架柱轴压比不符合鉴定要求时,可采用现浇钢筋混凝土套等加固。

5 房屋刚度较弱、明显不均匀或有明显的扭转效应时,可增设钢筋混凝土抗震墙或翼墙加固,也可设置支撑加固。

6 当框架梁柱实际受弯承载力的关系不符合鉴定要求时,可采用钢构套、现浇钢筋混凝土套或粘贴钢板等加固框架柱,也可通过罕遇地震下的弹塑性变形验算确定对策。

7 钢筋混凝土抗震墙配筋不符合鉴定要求时,可加厚原有墙体或增设端柱、墙体等。

8 当楼梯构件不符合鉴定要求时,可粘贴钢板、碳纤维布、钢绞线网聚合物砂浆面层等加固。

篇6:钢筋混凝土带支撑框架

钢筋混凝土带支撑框架

比较了钢筋混凝土带支撑框架与带暗支撑剪力墙的'抗震性能,给出了它们抗震承载力的计算公式,提出了供抗震设计参考的建议.

作 者:曹万林 董宏英 刘春燕 张建伟 施一雷  作者单位:北京工业大学建筑工程学院,北京 100022 刊 名:北京工业大学学报  ISTIC EI PKU英文刊名:JOURNAL OF BEIJING POLYTECHNIC UNIVERSITY 年,卷(期):2001 27(1) 分类号:P315.972 关键词:钢筋混凝土   支撑   框架   剪力墙  

篇7:增设钢筋混凝土抗震墙或翼墙加固房屋有哪些要求?

2 墙厚不应小于140mm,竖向和横向分布钢筋的最小配筋率,均不应小于0.20%。对于B、C类钢筋混凝土房屋,其墙厚和配筋应符合其抗震等级的相应要求。

3 增设抗震墙后应按框架抗震墙结构进行抗震分析,增设的混凝土和钢筋的强度均应乘以规定的折减系数。加固后抗震墙之间楼、屋盖长宽比的局部影响系数应作相应改变。

篇8:FRP加固钢筋混凝土梁柱框架结构抗连续倒塌性能的研究论文

FRP加固钢筋混凝土梁柱框架结构抗连续倒塌性能的研究论文

1 引言

重要建筑物如(如军事指挥所、政府办公大楼、大型商场)极易成为战争攻击和恐怖袭击的目标,因为这些建筑物一旦被摧毁,不但可以造成大量人员(特别是重要人物)的伤亡,而且会迅速引起广大民众恐慌,瓦解军心民心、如 2003 年美伊战争便是从美国空袭萨达姆当局领导层所在的总统府开始的;而“9―11”事件在造成巨大的人员伤亡和财产损失的同时,也使其民众人心惶惶、另一方面,通过对海湾战争中叙利亚有无填充墙的建筑受导弹攻击后倒塌规模的对比[2]和五角大楼遭到袭击后长时间保持稳定[3]可知,具有一定结构冗余度的建筑物能够有效地阻止倒塌蔓延,降低结构破坏范围、连续倒塌作为一种极端的倒塌形式,是指结构在局部构件受到偶然荷载(如战争攻击、恐怖袭击、汽车冲击等)发生倒塌后造成内力重分布,致使相邻构件接连失效,最终发生大面积、整体性的倒塌、

随着攻击制导武器的日趋精确和恐怖主义蔓延,我国很多重要建筑物的结构冗余度亟待加强,以提升其抗连续倒塌能力、FRP(Fiber Reinforced Ploymer)是一类应用普遍的新型高强材料,本文运用有限元分析的方法对采用不同 FRP 粘贴方案后钢筋混凝土梁柱框架结构抗连续倒塌性能进行对比,探寻最优方案、

2 研究综述

钢筋混凝土抗连续倒塌相关研究主要包括分析连续倒塌工程事故、通过结构倒塌过程试验总结力的转换机制、探寻连续倒塌机理和提出设计方法等方向、英国、欧盟、美国、加拿大等均有自己比较完善的抗连续倒塌规范、抗连续倒塌设计不同于一般结构设计的地方在于其对结构构件的延性提出了更高的要求,且容许结构有一定比例的破坏和一定范围的变形、比如 DoD2013[4]对于钢筋混凝土框架结构,为考虑动力效应,在拆除构件法中,当采用非线性静力分析和变形控制时,应采用以下的荷载组合:

其中 为荷载放大系数,D 和 L 分别为恒载和活载、

FRP 常用于结构构件的抗弯、抗剪和抗压加固,抗连续连续倒塌加固的目的是为了提升构件的耗能能力和延性,需综合考虑上述加固形式、CFRP(Cabon Fiber Reinforced Ploymer,碳纤维布)与 GFRP(Glass FiberReinforced Ploymer,玻璃纤维布)是两种常用且发展成熟的 FRP 加固材料,其比重仅有钢筋 1/4 到 1/3,拉伸强度却是钢筋的 10 倍左右[5]、但其延伸率很小,如 T300 的 CFRP 仅有 1、71%的延伸率,且没有明显的屈服强度,易发生脆性断裂、相对而言 GFRP 较 CFRP 的弹性模量要小、延伸率要大,故变形能力较 CFRP要好、敬登虎[6]通过试验发现 GFRP 加固后构件的`延性几乎是 CFRP 的 2、5 倍、目前文献中对 CFRP 和 GFRP加固钢筋混凝土结构抗连续倒塌对比的相关研究较少见、

LS―DYNA 可以模拟结构的大位移大变形等非线性情况、孟一[7]对 LS―DYNA 常用的混凝土材料模型进行了总结对比,发现新增的 CSCM 模型适合应用在结构倒塌分析领域,并校正了相关材料参数、Jin―WonNam[8]等人对比四种不同的 FRP 布有限元模型,发现正交异性线弹性模型更适合运用在其对混凝土结构加固的模拟上、

3 算例

3、1 试件设计

本文设计了一栋五层钢筋混凝土框架结构(如图 1 所示),并沿底层纵向取出两跨一层的梁柱框架子结构,假设其中间柱已经失效、梁柱纵筋均采用 HRB400,箍筋采用 HPB300,并按照规范规定[1]

进行加密,混凝土采用 C30,保护层厚度为 25mm、此算例旨在为后期现场试验提供理论支持、

为了探究 FRP 对提高其抗连续倒塌性能效果最佳加固形式,本文综合考量其经济性和加固效果,通过在梁底、梁顶及改变加固长度组合了各种加固方案进行尝试,选择典型方案列于表 1、

3、2 建模

本文在 ANSYS 建立了不同加固方案的 1/2 对称有限元模型(图 2)后,在 LS―DYNA 中进行相关计算、

其中混凝土、钢筋和 FRP 的采用的单元类型分别为 SOLID164、BEAM161 和 SHELL163,材料本构分别为盖帽模型(*MAT_CSCM)、随动塑性强化模型(*MAT_PLASTIC_KINEMATIC)、正交异性线弹性弹性模型(*MAT_ORTHOTROPIC_ELASTIC)、特别的,为了防止施加荷载时出现应力集中,在中间柱头上方设置一块加载垫块,使用 SOLID164 单元类型和刚体材料本构(*MAT_RIGID),结构与地面(刚体)连接[9]、

为证实有限元模型的准确性,本文对湖南大学易伟健等人的平面框架连续倒塌试验(图 3a、图 3c)[10]

进行模拟,建立了如图 3b 所示的有限元模型,再现了结构的倒塌过程,通过中柱位移轴力曲线(图 3d)和竖向水平位移曲线(图 3e)均可以看出模拟结果有明显的弹性、拱效应和悬链线效应发展阶段,且与试验结果接近、

3、3 加载

因相关试验大多采用拟静力的方式进行加载,本文为了有效验证有限元模型,亦采用静力方式进行加载、为了有效控制加载速度,采用位移控制的方式进行加载、为节约机时,本文采用 1m/s 的速度匀速加至 500mm,其中为保证加载开始结束阶段速度不会过大,采用余弦函数进行加载,并关闭混凝土应变率开关、通过观察对比能量平衡结果,发现其动能均极小,可以忽略、

3、4 结果比较

3、4、1 破坏特征比较

FRP 加固后的框架子结构有限元模型分别有如图 4 所示的三种破坏形态、破坏过程依次为为:A、C点混凝土开裂;C 点(CLZ1、GLZ1)或 A 处(CLZ2、GLZ2)FRP 发生剥离和断裂破坏;B、D 点混凝土开裂;A、C 点钢筋达到受拉极限被拉断、GLZ3 和 CLZ3 的 FRP 按照先 C 点再 A 点的顺序失效、值得注意是,B 和 D 处 FRP 在悬链线阶段依然发挥了拉杆效应、环形箍和 U 形箍可以阻止 FRP 的迅速剥离、

3、4、2 数据对比分析

通过观察图(5a)所示位移荷载曲线可以发现,各试件随着位移增加均呈现出明显的弹性变形、拱效应、拉压转化和悬链线效应阶段、中柱位移在 20mm 以内为弹性阶段,各曲线差别极小,说明此时 FRP 发挥的作用均有限;而到了拱效应阶段,A、C 处 FRP 由于发生脆性断裂,没有起到明显拉杆效果,CLZ3 和 GLZ3在拱效应阶段承载力有了一定的提升,可能是由于上下部均粘贴的方式可以在一定程度上延缓 FRP 断裂,有助于发挥结构拱效应;中柱位移在 200mm 左右,结构进入悬链线阶段后,所有加固方案的承载力均有一定程度的提升,以 CL3、GLZ2 和 GLZ3 效果最为明显,达到了 115KN 荷载设计要求,结合破坏特征推测,FRP 在此阶段分担了一部分拉轴力,中柱位移到了 300mm 左右后,C 点、A 点钢筋相继发生断裂,结构也逐渐丧失了承载能力、可将 C 点钢筋断裂作为结构悬链线阶段的结束,结构达到了倒塌极限承载力,则各加固方案的极限承载力分别提升了约 10%(CLZ1、CLZ2、GLZ1)、15%(GLZ2)、23%(CLZ3)、33%(GLZ3)、

通过比较各方案钢筋断裂时位移点位置可以发现,GLZ3、CLZ3 的中柱位移更大,说明其结构延性更好,能够经受住更大的挠度变形、

各方案输出的结构总能量与中柱位移(图 5b)可知,在弹性阶段,各试件耗能并没有明显区别;到了200mm 左右(结构进入了悬链线效应阶段),所有加固方案的耗能均有明显提升,至钢筋断裂,CLZ2 增加较小, CLZ1 与 GLZ1 较 LZ1 大约增加了 6%左右,其他三种加固方案大约增加了 20%左右,说明 FRP 在构件发生大变形时分担了部分的耗能任务、

4 结论

本文运用显式有限元软件 LS―DYNA 对不同 FRP 加固方案下的钢筋混凝土框架结构进行了模拟分析,直观地重现和模拟钢筋混凝土结构发生大变形时的倒塌破坏过程、通过对比较不同破坏阶段 FRP 发挥的作用,可以得到如下几点结论:

1、合理粘贴 FRP 可以明显提高构件的延性,尤其在大位移情况下,通过在梁上下部均粘贴 FRP 的方式(CLZ3、GLZ3)可以充分发挥框架梁的悬链线效应,提高结构延性和耗能能力,且延展性较好的 GFRP(GLZ2)粘于框架梁上部作用较粘于下部(GLZ1)增强效果更明显;

2、方案 CLZ3、GLZ2、GLZ3 均符合 DoD2013 抗连续倒塌规范设计荷载,说明通过选择合理的粘贴材料和组合形式可以在一定程度上提高钢筋混凝土结构的抗连续倒塌性能;

3、分析破坏形态可以发现在截断处采用 U 形箍或环形箍锚固可以有效阻止 FRP 剥离的蔓延,更好发挥其抗拉性能、

参考文献:

[1] GB 50010―2010 混凝土结构设计规范[S]、北京: 中国建筑工业出版社, 2010、

[2] Al―Khaiat H, Fereig S, Al―Duaij J, et al、Impact of shelling on RC frames with and without infill walls[J]、Journal ofperformance of constructed facilities, 1999, 13(1): 22―28、

[3] Mlakar P E, Dusenberry D, Harris J, et al、The Pentagon building performance report、American Society of Civil Engineers[J]、Structural Engineering Institute Publication, 2002、

[4] Unified Facilities Criteria(UFC)、Design of Buildings To Resist Progressive Collapse(UFC4―023―03) [S]、WashingtonDC,USA:U、S、Army Corps of Engineers,2013

[5] 叶列平, 冯鹏、FRP 在工程结构中的应用与发展[J]、土木工程学报,2006(39): 24―36

[6] 敬登虎, 杨佑发、纤维材质加固钢筋混凝土受弯构件延性的实验分析[J], 重庆大学建筑大学学报, 2002, 22(5): 58―61

[7] 孟一、冲击荷载作用下钢筋混凝土梁的试验及数值模拟研究[D]、湖南大学, 2012、

[8] Nam J W,Kim H J, Kim S B,et al、Analytical study of finite element models for FRP retrofitted concrete structure under blastloads[J]、International Journal of Damage Mechanics, 2009, 18(5): 461―490、

[9] 白金泽、LS―DYNA3D 理论基础与分析实例分析[M]、北京:科学出版社,2005,1―11[10] 易伟建, 何庆锋, 肖岩、钢筋混凝土框架结构抗倒塌性能的试验研究、建筑结构学报[J]、2007(28): 104―109、

篇9:钢筋混凝土建筑结构现代抗震思路

钢筋混凝土建筑结构现代抗震思路

关键词:建筑结构,抗震思路,发展历程

一、抗震设计思路发展历程

随着建筑结构抗震相关理论研究的不断发展,结构抗震设计思路也经历了一系列的变化。

最初,在未考虑结构弹性动力特征,也无详细的地震作用记录统计资料的条件下,经验性的取一个地震水平作用(0、1倍自重)用于结构设计。到了60年代,随着地面运动记录的不断丰富,人们通过单自由度体系的弹性反应谱,第一次从宏观上看到地震对弹性结构引起的反应随结构周期和阻尼比变化的总体趋势,揭示了结构在地震地面运动的随机激励下的强迫振动动力特征。但同时也发现一个无法解释的矛盾,当时规范所取的设计用地面运动加速度明显小于按弹性反应谱得出的作用于结构上的地面运动加速度,这些结构大多数却并未出现严重损坏和倒塌。后来随着对结构非线性性能的不断研究,人们发现设计结构时取的地震作用只是赋予结构一个基本屈服承载力,当发生更大地震时,结构的部位进入屈服后非弹性变形状态,并靠其屈服后的非弹性变形能力来经受地震作用。由此,也逐渐形成了使结构在一定水平的地震作用下进入屈服,并达到屈服后非弹性变形状态来耗散能量的现代抗震设计理论。

由以上可以看出,结构抗震设计思路经历了从弹性到非线性,从基于经验到基于非线性理论,从单纯保证结构承载能力的“抗”到允许结构屈服,并赋予结构一定的非弹性变形性能力的“耗”的一系列转变。

二、现代抗震设计思路

现代抗震设计理念是基于对结构非弹性性能的研究上建立起来的,其核心主要指在不同滞回规律和地面运动特征下,结构的屈服水准与自振周期以及最大非弹性动力反应间的关系。

60年代开始,研究者在滞回曲线为理想弹塑性及弹性刚度始终不变的前提下,通过对不同周期,不同屈服水准的非弹性单自由度体系做动力分析,得到了有关弹塑性反应下最大位移的规律:对T大于1、0秒的体系适用“等位移法则”,即非弹性反应下的最大位移等于同一地面运动输入下的弹性反应最大位移。对于T在0、12-0、5秒之间的结构,适用“等能量法则”即非弹性反应下的弹塑性变形能等于同一地震地面运动输入下的弹性变形能。当“等能量原则”适用时,随着R的增大,位移延性需求的增长速度比“等位移原则”下按与R相同的比例增长更快。由以上规律我们可以看出,如果以结构弹性反应为准,把结构用来做承载能力设计的地震作用取的越低,即R越大,则结构在与弹性反应时相同的地震作用下达到的非弹性位移就越大,位移延性需求就越高。这意味着结构必须具有更高的塑性变形能力。 规律初步揭示出不同弹性周期的结构,当其弹塑性屈服水准取值大小不同时,在同一地面运动输入下屈服水准与所达到的最大非弹性位移之间的关系。也揭示出了延性能力和塑性耗能能力是屈服水准不高的结构在较大地震引起的非弹性动力反应中不致发生严重损坏和倒塌的主要原因。让人们认识到延性在抗震设计中的重要性。

之所以存在上诉的规律,我们应该注意到钢筋混凝土结构的一些相关特性。首先,通过人为措施可以使结构具有一定的延性,即结构在外部作用下,可以发生足够的非线性变形,而又维持承载力的属性。这样就可以保证结构在进入较大非线性变形时,不会出现因强度急剧下降而导致的`严重破坏和倒塌,从而使结构在非线性变形状态下耗能成为可能。其次,作为非线弹性材料的钢筋混凝土结构,在一定的外力作用下,结构将从弹性进入非弹性状态。在非弹性变形过程中,外力做功全部变为热能,并传入空气中耗散掉。我们可以进一步以单质点体系的无阻尼振动来分析,在弹性范围振动时,惯性力与弹性恢复力总处于动态平衡状态,体系能量在动能、势能间不停转换,但总量保持不变。如果某次振动过大,体系进入屈服后状态,则体系在平衡位置的动能将在最大位移处转化为弹性势能和塑性变形能两部分,其中,塑性变性能将耗散掉,从而减小了体系总的能量。

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