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1、同济大学土木工程学院 顾祥林 gxl 地震作用下混凝土结构的性能地震作用下混凝土结构的性能 高等混凝土结构原理 2 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（ ） 4.737.6310.5820.4256.64 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） 3 一、地震对混凝土结构的危害 总数基本完好轻微损坏中等破坏严重破坏倒塌 8429431020 百分比 34.5%51.2%11.9%2.4%0 2008年5月12日汶川地震后什邡市部分钢筋混凝土 房屋震害调查结果（城区84
2、幢乡镇21幢） 总数基本完好 轻微损坏 中等破坏 严重破坏倒塌 2126661 百分比 9.5%28.5%28.5%28.5%5% 4 一、地震对混凝土结构的危害 面临的问题 *如何保证结构小震不坏？ *如何保证结构大震不倒？ 5 二、地震作用下混凝土结构的破坏特征 结构构件受弯破坏 *汶川5.12地震震害 6 二、地震作用下混凝土结构的破坏特征 结构构件受剪破坏 *汶川5.12地震震害 7 二、地震作用下混凝土结构的破坏特征 结构构件节点破坏 *汶川5.12地震震害 8 二、地震作用下混凝土结构的破坏特征 结构体系底层破坏 *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
3、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。 9 二、地震作用下混凝土结构的破坏特征 结构体系中间层破坏 *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,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
4、的破坏。 10 二、地震作用下混凝土结构的破坏特征 结构体系中间层破坏 *汶川5.12地震震害 11 二、地震作用下混凝土结构的破坏特征 结构体系叠饼式的坍塌 * 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。 12 二、地震作用下混凝土结构的破坏特征 结构体系叠饼式的坍塌 13 二、地震作用下混凝土结构的破坏特征 结构体系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
5、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。 14 二、地震作用下混凝土结构的破坏特征 结构体系整体坍塌 *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。 15 三、钢筋混凝土构件的抗震性能 l P 荷载分 配梁 数据采集 系统 外加荷 载 l/3 l/3 试验 梁 位移 计 P(kN) (mm ) 20 -20
6、 10 -10 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 fcu=41MPa; fy=344Mpa; s = s =0.0017 受弯时 1. 钢筋混凝土梁 16 l P 荷载分 配梁 数据采集 系统 外加荷 载 l/3 l/3 试验 梁 位移 计 受弯剪时 P(kN) (mm ) 800 - 800 400 - 400 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 三、钢筋混凝土构件的抗震性能 1. 钢筋混凝土梁 17 试验方案 P H 位移 计 N 外加荷 载 柱的竖向荷 载 数据采集 系统 带定向 滑轮的 千斤顶 台座 试验 柱 300 720 350 1
7、000 300 300 6 80 1214 A B C D 3周 3周 3周 位移 时间 BD向 AC向AC向 BD向 BD向 AC向 三、钢筋混凝土构件的抗震性能 2. 钢筋混凝土柱 18 不同轴压比 300 720 350 1000 300 300 6 80 1214 A B C D 三、钢筋混凝土构件的抗震性能 2. 钢筋混凝土柱 19 不同加载路径单向和斜向 300 720 350 1000 300 300 6 80 1214 A B C D 三、钢筋混凝土构件的抗震性能 2. 钢筋混凝土柱 20 不同加载路径矩形 3周 3周 3周 位移 时间 BD向 AC向AC向 BD向 BD向 A
8、C向 三、钢筋混凝土构件的抗震性能 2. 钢筋混凝土柱 21 不同加载路径菱形 3周 3周 3周 位移 时间 BD向 AC向AC向 BD向 BD向 AC向 三、钢筋混凝土构件的抗震性能 2. 钢筋混凝土柱 22 不同加载路径等幅循环荷载 3周 3周 3周 位移 时间 BD向 AC向AC向 BD向 BD向 AC向 三、钢筋混凝土构件的抗震性能 2. 钢筋混凝土柱 23 不同配筋率 s= s =0.467% 和 s = s =2.540% 三、钢筋混凝土构件的抗震性能 2. 钢筋混凝土柱 24 不同配箍率6150和637.5 三、钢筋混凝土构件的抗震性能 2. 钢筋混凝土柱 25 普通配筋及X形交
9、叉配筋 V(kN) (10-2rad) 50 30 -50 -30 -30-20 -10302010 V(kN) (10-2rad) 80 50 -80 -50 -30-20-10302010 150 150 150 150 150 315 315 520 150 150 150 150 150 315 315 520 三、钢筋混凝土构件的抗震性能 2. 钢筋混凝土柱 26 不同配箍形式钢筋混凝土短柱承载力退化情况 100 80 60 40 20 510 152025 恢复力(%) 周数 a bc d a b d c 0 三、钢筋混凝土构件的抗震性能 2. 钢筋混凝土柱 27 千斤顶施加竖向荷
10、载 N 申克机施加反复荷载 轴承板 试件 三、钢筋混凝土构件的抗震性能 3. 钢筋混凝土梁-柱节点 28 三、钢筋混凝土构件的抗震性能 4. 钢筋混凝土墙体 29 四、基于承载力的构件抗震设计 强柱弱梁 强剪弱弯 30 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 五、钢筋混凝土结构延性分析 1. 延性的基本概念 31 延性系数 u
11、/ y 结构的极 限位移 结构的屈 服位移 五、钢筋混凝土结构延性分析 1. 延性的基本概念 32 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 E C D F G A B 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 五、钢筋混凝土结构延性分析 1. 延性的基本概念 33 抗震设计时对延性系数的要求 R0.20.40.60.81.0 5.02.51.71.31.0 13.03.61.91.31.0 两点认识： 11) 结构设计时，若地震作用的
12、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35 五、钢筋混凝土结构延性分析 1. 延性的基本概念 34 梁柱截面的弯曲延性 Ass M y u M N s Ass c c u/ y 截面的极 限曲率 截面的屈 服曲率 五、钢筋混凝土结构延性分析 2. 框架结构的延性 35 材料强度、配筋对梁柱截面的弯曲延性的影响 As As 250 35 35
13、500 五、钢筋混凝土结构延性分析 2. 框架结构的延性 36 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，截面延性减小的速度趋于平缓 五、钢筋混凝土结构延性分析 2. 框架结构的延性 37 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 五、钢筋混凝土结
14、构延性分析 2. 框架结构的延性 38 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 2c0 sp cc cu 环箍断裂 Ec Esec 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) 900 750 600 450 300 150 0 5 10 15 20 25 30 (10-6) 矩形柱 圆柱2 圆柱1 N=2413kN, fc=19.5Mpa 820 820 820 8200 8200 1080 600700 D731 D731 五、钢筋混凝土结构延性分析 2. 框架结构的延性 39 位移延性系数与曲率延性系数间的关系
15、-简化分析方法 P l Mu lp 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： 塑性铰区 段的长度 柱的高度 五、钢筋混凝土结构延性分析 2. 框架结构的延性 40 位移延性系数与曲率延性系数间的关系-简化分析方法 P l Mu lp u y 取4 lp/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 五、钢筋混凝土结构延性分析 2. 框架结构的延性 41 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 五、钢筋混凝土结构延性分析 2. 框架结构的延性 42 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 c6 c5 c4 c3 c2 c
