《混凝土构件、钢构件、钢-混组合构件的抗震性能及应用范围研究解析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《混凝土构件、钢构件、钢-混组合构件的抗震性能及应用范围研究解析（9页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、混凝土构件、钢构件、钢-混组合构件的抗震性能及应用范围研究摘要：本文通过以下三个部分详细介绍了钢筋混凝土构件、钢结构构件以及钢-混组合构件的抗震性能及应用范围，并结合相关实验模拟三种构件在地震作用下的破坏程度，为工程结构抗震设计提供技术参考。关键词：混凝土构件、钢构件、钢-混组合构件、抗震性能、应用范围 第9页 共9页1 前言地震灾害是人类面临的严重自然灾害之一。地震具有突发性的特点，至今可预报性仍然很低。强烈地震常造成人身和财产的巨大损失。我国属地震多发国家，需要考虑抗震设防的地域辽阔，因此研究结构的抗震性能在我国具有充分的必要性。结构主要靠延性来抵抗较大地震作用下的震作非弹性变形，因此，地
2、用下，结构的延性与结构的强度具有同等重要的意义。（延性指当地震迫使结构发生较大的非线性变形时，结构仍能维持其初始强度的能力，是结构超过弹性阶段的变形能力，它是结构抗震能力强弱的标志。它包括承受极大变形的能力和靠滞回特性吸收能量的能力，它是抗震设计当中一个非常重要的特性）。2 钢筋混凝土结构2.1 几种钢筋混凝土结构的抗震性能比较2.1.1 框架结构体系框架结构是比较常用的结构形式，为提高框架结构的抗震能力通过合理设计，可以把框架结构做成延性框架。延性框架在大震作用下，通过先出现梁铰、后出现柱铰这样一种耗能机构耗散大量的地震能量，结构能够承受一定的侧向变形。所以纯框架结构是一种抗震性能很好的结构
3、。但是我们同时也看到由于纯框架的抗侧刚度较小，造成的侧移值比较大，因此建造高度不宜太高。非结构构件比如填充墙在地震作用下，也可能出现裂缝和破坏。框架和填充墙之间的硬性联结造成的刚度增大效应也可能造成设计上未考虑到的增大的侧向力。倘若是半高的填充墙，还会导致形成短柱，刚度增大，承受很大的剪力，造成柱子的剪切破坏。2.1.2 剪力墙结构体系剪力墙结构的承载力及刚度都很大，侧移变形小，因此它的使用范围可以比纯框架结构更高。适用于框架结构构件的非线形抗震性能的原理总体上也可以用于剪力墙，也可以把剪力墙设计成为延性剪力墙，也可以以稳定的方式来耗散地震能量。但是，剪力墙中不论是墙肢还是连梁，它的截面的特点
4、是短而高，这类构件对剪切变形相当敏感，容易出现裂缝，容易出现脆性的剪切破坏。因此需进行精心合理的设计，才能够使剪力墙具有良好的抗震性能和良好的延性能力。剪力墙的破坏形态与其剪跨比有很大关系，对剪跨比很小的矮墙，以剪切破坏形态为主，塑性变形能力很差，所以在抗震结构中应避免采用矮墙。对于悬臂墙的能量耗散，主要是通过墙底出铰来进行的。而对于联肢墙，经过合理地设计开洞位置，使它的能量耗散机理与具有强柱弱梁的梁铰机构相似，形成强墙弱梁，即连梁梁端出铰，墙底出铰，而墙体的其它地方，均不出现塑性铰。否则，倘若连梁强于墙肢，则会出现与柱铰机构一样的层变形机构。对于较长的悬臂墙，通常通过人为开洞使之变成联肢墙，
5、因为悬臂墙作为静定结构，一旦有一个截面破坏失效，就会导致结构失效和倒塌，而联肢墙则可设计成强墙弱梁，出铰数目较多，耗能较大。同框架设计的强剪弱弯一样，连梁及墙肢也需要通过“强剪弱弯”来提高其抗剪承载能力，推迟剪切破坏从而改善其延性。但是受其自身截面特点的影响，构件仍不能保证不发生剪切破坏，特别是连梁，一般情况下的普通配筋连梁很难实现高延性，设计时，必须专门采取措施改变其性能。2.1.3 框架剪力墙结构体系框架剪力墙结构是把框架和剪力墙结合在一起共同抵抗竖向和水平荷载的一种体系，它利用剪力墙的高抗侧力刚度和承载力，弥补框架结构抗侧刚度差，变形较大的弱点。由于剪力墙与框架协同工作，改善了纯框架和纯
6、剪力墙的变形性能，总变形减小，层间变形减小，而且上下趋于均匀，框架上下各层柱的受力也比较均匀。另外，在地震作用下，剪力墙承担了大部分剪力，框架只承担很小的一部分剪力，通常都是剪力墙先屈服，剪力墙屈服后将产生内力重分配，框架分配的剪力将会增大，如果地震作用继续增大，框架结构也会屈服，使之形成曲线分布吻合最好。2.2 提高钢筋混凝土结构抗震性能措施在强烈地震作用下，钢筋混凝土建筑物的破坏机理和过程是十分复杂的，要进行精确计算很困难，所以，应该根据钢混结构的不同部位的受力特点和建筑总体抗震能力的概念设计方法，对于钢混结构抗震的薄弱环节和细部构造，在建造过程中应该给予足够重视。2.2.1 加强梁柱节点
7、构造钢筋混凝土框架结构的梁柱节点附近，在地震作用下同时存在剪力和弯矩的最大值，是结构抗震的薄弱环节，常常成为震害的主要部位。设计规范一般要求做成“节点强于构件”的构造。节点的核心区在梁和柱端的轴力、弯矩和剪力共同作用下处于多轴的复杂应力状态。混凝土开裂前，节点应力接近于弹性分布，箍筋的应力很低。当荷载达到最大承载力的60%70%时，核心区出现对角线方向的斜裂缝，箍筋的应力突然增大。在荷载的多次反作用下，核心区形成交叉的两组平行斜裂缝，箍筋逐渐屈服，裂缝不断开展。同时，梁、柱内纵向钢筋受拉屈服，端部构成塑性铰，钢筋和混凝土的滑移区从构件部分逐渐地伸入节点内部，因而节点的变形增大，刚度退化。核心区
8、混凝土在斜向拉、压应力的交替作用下，斜裂缝多次张合，磨损加重。最终，核心区混凝土破损剥落，承载力下降。沿节点外侧梁、柱纵筋在受拉力时的变形比较大，而受压力时，钢筋滑移小，总压缩变形也小，对相应的节点外侧钢筋做低周反复荷载试验，横轴表示钢筋位移，纵轴表示施加的往复作用的横向力，针对节点外侧钢筋的受力性质可选择合理的配筋。此外，在钢筋混凝土框架结构中，有些学者建议在梁支座附近设置人工塑性铰，这种铰做成特殊的构造，有良好的延性和吸收（耗散）地震能量的特性，地震来时，让它先于其他截面破坏，达到预期的结构最佳破坏机构，而不是任意破坏。实际上这是在构造上实现了强柱弱梁的设计原则。2.2.2 结构要有足够的
9、抗侧移刚度在工程结构抗震理论和设计方法的发展过程中，由于人们关于地震对建筑破坏作用的认识不同，长期存在着结构的刚与柔的争议，早期是日、美之间的争辩，以后发展到美国国内的刚、柔之争。这两种结构都有各自的优缺点，但对于钢筋混凝土结构的高层建筑，刚比柔较好。因为地面运动是多维的，地震时高层建筑将受到两个正交的水平方向和一个竖直方向地震力的作用，清华大学对框架柱抗震性能的试验结果表明：双向水平低周往复荷载作用下的钢筋混凝土框架柱，与单向水平荷载作用下相比较，不仅初始刚度和强度降低较多，还由于受到较大双向侧移的影响，使刚度和强度退化加剧，延性进一步降低，耗能性能劣化。所以，地震时多维的地面作用对于柔性体
10、系的高层建筑是不利的。因此，层数较多的高层建筑，不宜采用钢筋混凝土框架结构体系，以天津友谊宾馆受地震作用破坏为例（见图1），它的主楼分成两个独立区段，防震缝以东为8层，采用钢筋混凝土框架体系；西段为11层，采用框架剪力墙体系。围护墙和隔墙均采用空心砖填充墙（结构平面如图1所示），唐山地震时，该楼位于8度区内。震后检查发现，东段空心砖填充墙普遍破坏严重，而西段的填充墙仅产生细微裂缝。此外，东段填充墙震害是上层轻、下层破坏严重，显示出结构的总体变形属剪切型；西段填充墙的震害是上重下轻，表现出结构的总体变形为弯曲型。结构刚度大小是东、西段震害出现轻重不同的主要原因。根据天津市建筑设计院的推算，地震时
11、，东段的侧移角为/H=1/3741/164，而西段顶点的侧移角仅为1-9601/430，是前者的1/2.5左右。由此震例说明，对于层数较多的高层建筑，不宜采用钢筋混凝土框架体系，而应采用布置有一定数量抗震墙的框墙体系，或采用框架支撑、筒体支撑等刚度较大的抗侧力体系。2.2.3 提高构件的配筋率以清华大学所做的试验为例，两根配筋率不同而其他参数接近的钢筋混凝土构件（如图2所示），受到轴向力N和正向反向加载的力P作用。从试验中测得的荷载-位移滞回曲线可以看出，提高配筋率对于构件的滞回特性和延性都有明显的改善，每次反复荷载的滞回环所包围的面积增加，耗能的能力增强，刚度加大，有利于结构抗震。2 钢结构
12、钢结构构件的特点是自重轻：钢材的重力密度比是混凝土的3倍，强度比是混凝土的14倍以上。有效使用面积大：钢结构的材料强度高，柱梁截面小，截面多样性：一方面，钢材的各向匀质性使得它可以被加工成各种形状，这与木材的各向非匀质性区别显著。另一方面，钢结构构件的截面形状也对连接设计也产生强烈的影响。在受力范围允许的情况下，不同型钢的选择可以导致不同形式的连接。抗震性能好：钢结构构件本身有良好的延伸性，自重轻，自振周期长，较大变形下能吸收变形能，结构体系的连接多为柔性连接，围护结构可随主体结构发生变位，其抗震性能得到了大大提高。自重减轻也会增强其抗震性能，自重减少一半，等同于降低抗震设防烈度一度，地震作用
13、可降低3040，从而减少了很多有关抗震的构造要求，降低了工程造价。环保节能：钢结构构件在工厂制作，减少了现场工作量，避免了钢混结构房屋施工现场中众多建材和建筑垃圾的堆放，有利于环境保护。钢结构的优势在于强度高，延性好，但正是由于钢材强度高，所以往往构件细长且板件纤薄，故而构件的稳定问题显得尤为突出。如何合理地选择构件，满足规范规定的宽厚比、高厚比的稳定构造要求，对于钢结构设计尤为重要。2.1 钢梁的抗震性能在低周反复荷载作用下, 滞回曲线比较饱满, 呈现稳定的梭形. 滞回曲线图形基本是对称的. 当节点转角增大时, 刚度逐渐衰减, 耗能逐渐增加, 这种变化不仅受荷载影响, 而且还受荷载循环次数增
14、加的影响. 由于钢梁刚度退化不明显, 整个节点的抗弯能力退化较缓慢. 同级荷载作用下刚度退化不明显, 各级荷载作用下, 曲线形状大体一致. 加载过程中的包络线面积大小代表节点吸收能量的能力. 卸载线与加载线的间隙大小代表节点耗散能量的能力. 节点吸收能量和耗散能量的能力都较大, 节点呈现出良好的延性特征。螺栓的配置、锚筋的数量对承载力和刚度均有影响, 螺栓的数量越多或惯性矩越大, 则节点的承载力或刚度就越大。需要引起重视的是, 对于螺栓配置数量较少的试件在破坏阶段由于螺栓破坏导致承载力突然下降,而对于螺栓配置较多的钢梁,节点骨架曲线下降段比较平缓.钢梁承载力随着螺栓数量或者螺栓群惯性矩的增大而
15、增大。其抗弯承载力随着螺栓直径的增大而进一步增加。在结构抗震性能中, 延性是一个重要的指标. 一般情况下, 可以用位移延性系数(梁端极限位移与梁端屈服位移之比)来评价构件或结构延性性能.钢梁的位移延性系数分别为510、510、415, 由此可知, 钢梁比钢筋混凝土梁具有更好的延性。等效黏滞阻尼系数是判断结构耗能能力的一个指标, 可以用滞回环所包围的面积来计算。滞回曲线包络线越饱满, 则等效黏滞阻尼系数越大, 试件的耗能能力越高, 钢梁连接节点具有很好的抗震性能。2.2 钢柱的抗震性能滞回曲线,无论从以往的试验结果还是理论分析得出的钢柱的滞回曲线均较丰满，并且随着名义轴压比的增加，钢骨混凝土框架
16、柱的极限变形减小，延性变差；随着剪跨比的增加，构件的极限变形能力增加。延性与耗能。试验的箱型钢柱柱的等效阻尼比不论轴压比为多少最终都能达到0.3以上，可见其优良的延性和耗能性能。腹板宽厚比对箱型钢柱的抗震性能影响：柱顶弯矩对构件抗震性能的影响较小，轴压比越小，构件的等效粘滞阻尼系数越大。对于腹板宽厚比较大的构件，腹板宽厚比是影响构件抗震性能的主要因素，轴压比对耗散能的影响较小。对于腹板宽厚比较小的构件，柱顶轴压比是影响构件抗震性能的主要因素，但随着腹板宽厚比的增大，腹板宽厚比对构件耗能能力的影响不断加大。2.3 钢框架梁柱节点的抗震性能焊接的刚性连接试件的滞回性能比梁腹板采用高强螺栓与柱连接的试件好一些。因为全焊连接整体性能较好，腹板焊缝除了传递剪力之外还能承受一定比例的弯矩；而腹板用高强螺栓连接的试件，设计时假定弯矩全
