地震作用下结构的性能2

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破坏程度倒塌严重破坏中等破坏轻微破坏基本完好房屋数量(幢)77124172332921比例（％）4.737.6310.5820.4256.641995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,6～10层，破坏的层次为3～6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（HyattTerraceHotelinBaguio）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.钢筋混凝土柱1480@3003007203506300100012三、钢筋混凝土构件的抗震性能1.钢筋混凝土柱1480@3003007203506300100012三、钢筋混凝土构件的抗震性能2.钢筋混凝土墙体crPk0=k0(/cr)-k-k0HP试验墙体带定向滑轮的千斤顶N千斤顶加水平荷载荷载分配梁位移计基础梁台座h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水平地震作用水平地震作用水平地震作用OyuuECDFGAB认为在相同地震作用下，这两种结构达到的最大挠度相同ROBOAyu1认为两个结构体系达最大挠度时所储存的变形势能相同R121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R0.20.40.60.81.05.02.51.71.31.013.03.61.91.31.0R12221RR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。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＝3－5四、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AssMyuMNsAsscc＝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051015202500.010.020.030.04ρsρs'/ρs=1.000.750.501.00fc=15Mpafy=fy'=240Mpa0.2505101520253000.010.020.030.04ρsρ's/ρs=1.000.750.500.250.00fc=19Mpafy=fy'=240Mpa05101520253000.010.020.030.04ρsρs'/ρs=1.000.750.500.250.00fc=23Mpafy=fy'=240Mpa024681012141600.010.020.030.04ρsρs'/ρs=1.000.750.500.251.00fc=15Mpafy=fy'=340Mpa0510152000.010.020.030.04ρsρs'/ρs=1.000.750.500.251.00fc=19Mpafy=fy'=340Mpa0510152000.010.020.030.04ρsρs'/ρs=1.000.750.500.251.00fc=23Mpafy=fy'=340MpaAsAs2503535500四、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051015202500.010.020.030.04ρsρs'/ρs=1.000.750.501.00fc=15Mpafy=fy'=240Mpa0.2505101520253000.010.020.030.04ρsρ's/ρs=1.000.750.500.250.00fc=19Mpafy=fy'=240Mpa05101520253000.010.020.030.04ρsρs'/ρs=1.000.750.500.250.00fc=23Mpafy=fy'=240Mpa024681012141600.010.020.030.04ρsρs'/ρs=1.000.750.500.251.00fc=15Mpafy=fy'=340Mpa0510152000.010.020.030.04ρsρs'/ρs=1.000.750.500.251.00fc=19Mpafy=fy'=340Mpa0510152000.010.020.030.04ρsρs'/ρs=1.000.750.500.251.00fc=23Mpafy=fy'=340Mpa*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，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010020030040050060000.000010.000020.000030.000040.00005轴压比=0.00.20.40.60.70.80.9bhmmmmAAmmfMpaffMpasscyy2505002906233402''曲率弯矩(kN-m)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约束混凝土土fccfc0Oc02c0spcccu环箍断裂EcEsec非约束混凝土矩形柱圆柱1圆柱2构件截面纵筋箍筋M(kN-m)900750600450300150051015202530(10-6)矩形柱圆柱2圆柱1N=2413kN,fc=19.5Mpa8208208208@2008@20010@80600700D＝731D＝731四、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PlMulpuy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：uyuyppyylllllll22305223.塑性铰区段的长度柱的高度uyuyyppuypplllllll105313105122./'.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PlMulpuy取＝4lp/l0.050.10.150.200.250.300.35’21.511.58.26.65.64.94.5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135.0666112/32211212221111ininllllnlllnlliniiciccnncnccnccccccccc6c5c4c3c2c1c6c5c4c3c2c1lclclclclclc6lc5lc4lc3lc2lc1lcilccicilc)11(1iic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1＝0,2==n=0.5，则有cnccclnl21236对于“强梁弱柱”型的结构，临近破坏时形成柱铰型的侧移机构，柱首先屈服。根据基本假定有ycycycycnlnl21263c6c5c4c3c2c1c6c5c4c3c2c1lclclclclclc6lc5lc4lc3lc2lc1lcilccicilc)11(1iic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pcpc第i层uciyciyciucilclpclpclllcpcpc'2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：pcuciycipcuciycipcMinll'''uypccpcpclll05.'105pcycpcpclll.'四、钢筋混凝土结构延性分析2.框架结构的延性105pcycpcpclll.'位移延性系数与曲率延性系数间的关系--