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探討結構延性

結構設計中,重要構件往往通過限制配筋率來確保其性能發揮,超限審查中也經常伴隨著提高某一批次構件的配筋率,然配筋率與延性之間到底有著怎樣的千絲萬縷?

先給延性戴個帽,延性指結構或構件屈服后,強度或承載力沒有顯著降低時的塑性/非彈性變形能力。分為材料、截面、構件及結構延性,常用延性系數來表達,即:

材料延性是應變延性,通過應力-應變曲線來反映,表觀的是材料屈服后的塑(脆)性變形能力;截面延性是曲率延性,通過受壓區高度來反映,表觀的是截面屈服后的塑性轉動能力;

構件延性是位移延性,通過塑性鉸來反映,表觀的是塑性鉸的轉動能力;

結構延性也是位移延性,通過基底剪力-頂點位移曲線或層剪力-層位移曲線來反映,表觀的是整體塑性變形能力。

四種延性之間存在著相互牽制與影響,尤其是材料延性與截面延性、構件延性與結構延性,材料延性與截面延性是負相關的,構件延性與結構延性的關系取決于塑性鉸形成后結構的破壞機制(仍是現階段結構工程領域研究熱點與難點)。

材料延性是根本,是本構關系的層次(本構關系僅針對材料而言,然設計中不乏構件本構,更有甚者,出現結構本構),影響著其他三種延性,一般采用應變延性指標來衡量,即極限應變/屈服應變。結構中存在兩大材料:鋼與砼,鋼應力-應變曲線設計者應很熟悉,彈性段、屈服段(屈服點)、強化段與頸縮段,具體來講,鋼延性指標=峰值應力應變/屈服點應變;砼本構研究最透徹的當屬非約束混凝土的單軸受壓本構,應變延性與砼強度存在很大關系,隨強度提高,應力-應變曲線的彈性工作段拉長,峰值應變值提高,下降段陡峭(意味著脆性強化)。砼延性指標=極限應變/峰值應變,砼極限應變可取0.003~0.004,普通砼峰值應變為0.0015~0.002,高強砼峰值應變為0.002;實際結構砼基本都屬于約束砼,由于箍筋的環箍效應,應力-應變關系也發生了變化,約束越好延性越好,約束的好與不好通過配箍特征值來衡量。規范中對材料使用的限定一般是從材料延性考慮,如“對于框支梁、框支柱及一級框架梁、柱,砼強度等級不應低于C30…鋼筋的抗拉強度實測值與屈服強度實測值的比值不應小于1.25…鋼材的屈服強度實測值與抗拉強度實測值的比值不應大于0.85…”。

截面延性衡量著截面的塑性轉動能力,即塑性鉸的轉動能力,對應于彎矩-曲率關系曲線,表達式為極限曲率/屈服曲率。在適當配筋率下,由于受拉鋼筋屈服時截面并沒有屈服,因此需對屈服曲率進行放大調整,調整系數約為1.1~1.2,即,極限曲率通常取受壓區邊緣混凝土達到其極限壓應變時的曲率,即:截面曲率延性一般可從相對受壓區高度的角度理解,影響截面延性的因素主要有:

1)砼強度,兩面性:強度提高脆性增強,材料延性降低;強度提高受壓區高度減少,截面延性提高;

2)軸壓比,減小軸壓比,受壓區高度減小,延性提高;

3)箍筋,約束砼的極限壓應變增大,變相提高砼強度,受壓區高度減小,延性提高(規范中軸壓比在特別箍筋條件下適當放松,即是此方面的考慮);

4)縱向鋼筋,高強度鋼筋à屈服強度高à屈服應變大à屈服曲率提高à截面延性降低,配置受壓鋼筋à受壓區高度降低à截面延性提高,提高配筋率à變相降低軸壓比(提高軸壓承載力);

5)截面形狀,規則截面(圓形、方形及矩形)破壞流動性低,方向性明確,較不規則截面(異形柱)延性好。

對于壓彎構件(墻、柱與斜撐等),如上述配筋率的描述,配筋率左右著軸壓承載力,隨著軸壓承載力的提高,構件的塑性變形長度變大,因此截面延性提高。

但是,結構工程師需要充分認識到,配筋率不是提高豎向構件延性的首要因素,即配筋率的功效比較低。對于受彎構件(梁等),延性隨配筋率的提高而降低,但當配置適當充分的受壓鋼筋,有利于改善高配筋率帶來的延性不足,這也是規范弱化受拉鋼筋配筋率的緣由。

構件延性表征的是塑性鉸的轉動能力,由于曲率與位移存在比值關系,因此位移延性與截面曲率延性存在關系式,k為與構件長度、塑性鉸長度相關系數。構件的塑性變形集中于兩端的塑性鉸區,曲率延性系數應比位移延性系數大(截面延性要求高于構件延性要求),才能保證抗震要求(關系式也傳達此信息)。

避免倒塌思路:位移延性系數限值(倒塌臨界值)à曲率延性系數à砼極限壓應變à采取措施滿足。

結構延性通常用頂點位移或層間位移來表達,由于結構延性與構件延性存在藕斷絲連的聯系,因此結構延性(系數)難直觀得出,常借助于靜力彈塑性分析近似判斷,也就是經常見到的基底剪力-頂點位移曲線。

但上述方法存在很多人為因素:施加水平力的形狀(基于第一振型的加載函數往往低估中間層的地震反應)、極限/屈服位移的定義(一般極限位移可取峰值承載力90%對應的位移,個別或若干構件屈服,不等同于整體或某層屈服,尤其是層概念明確的鋼結構),所以,在靜力彈塑性分析中,工程師對于結構整體性能的把握更為重要。

規范中關于構件/結構構造的不同規定側重于不同的延性要求,

如材料延性:砼強度最低要求、鋼筋強屈比、鋼材的屈強比、焊接性及沖擊韌性等;

截面延性:梁最小/大配筋率要求(決定著梁的破壞形態:彎曲破壞or剪切破壞)、截面相對受壓區高度限值、柱墻軸壓比及縱向鋼筋配筋率;

構件延性:柱梁塑性鉸區砼的約束程度(箍筋加密要求)、梁柱墻剪跨比(決定著構件破壞模式)、連梁、轉換構件;

結構延性:框剪、框筒的(類)0.2V0調整、剪力墻底部加強區、轉換層、加強層、錯層及嵌固端構造要求(構件延性的提高有利于結構延性的發展,構件延性的要求高于結構延性,如非底部加強部位設置YBZ、芯筒角部增設型鋼、大跨度框架中框架柱采用型鋼柱或鋼管柱、高跨比較大連梁增設型鋼、核心筒鋼板剪力墻等,上述措施也往往是超限結構的構造加強措施)。

另外,延性與承載力之間還有個比較有趣的現象:二者具有反向性。結構或構件的延性隨著承載力的提高有降低的趨勢,可以來個極端比較,分別對某結構進行小/S、中/M及大/L震彈性設計,承載力,位移延性系數。因此結構工程師要把握好強度與延性的含量比,把握結構的真實內涵,設計出和力而有韌的合理結構。
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