浅析延性\承载力对建筑稳定性的影响

摘要：探讨了建筑物局部延性、整体结构的延性以及结构自身承载力对结构稳定性的影响。

关键词：延性；承载力；稳定性

Abstract: discusses local ductility, the overall structure of building and structure ductility capacity effect on the stability of the structure.

Keywords: ductility; bearing capacity; stability

中图分类号：TU74 文献标识码：A文章编号：

在地震作用下,结构的延性是非常重要的

地震分为小震、中震和大震。所谓小震指的是常遇地震,50 年出现的概率大约为63% ,重现期为50年。中震是指50年出现的概率约为10 % ,重现期为475年。而大震指的是罕遇地震,50年出现的概率为2 %～3 % ,重现期为1641～2475年。对于偶然性和随机性很大的地震荷载,要想使结构强度一定大于结构反应,几乎是不可能的,而且是十分不经济的。受社会承受牺牲的能力和经济制约的因素,我们只能从概率的角度出发,使结构在一定的概率保证下能安全正常地发挥作用。这就决定了抗震设计的基本原则,在我国即通常所说的“小震不坏,中震可修,大震不倒”。

在“小震”作用下,要求结构不受损伤或不需修理仍可继续使用。从结构抗震分析角度来说,就是要求结构在“小震”作用下保持准弹性反应状态,而不进入使建筑物中断使用和产生非结构构件破坏的非弹性反应状态;同时结构的侧向变形应控制在合理的限制范围以内,目的是使结构具有足够的抗侧向力刚度。

中震大概相当于我们的设防烈度地震,当遭遇到中震作用时,结构可以有一定程度的损坏,经修复或不经修复仍可继续使用。从经济角度来说,维修费用不能太高。

对发生概率极小的罕遇大震(“大震”的烈度比设防烈度约高一度左右) 。要求当结构在遭遇“大震”作用时,不应倒塌或发生危及生命的严重破坏。

这样一个抗震设防目标是非常经济合理的。因为地震的发生太偶然,如果我们一味地追求结构的强度以保证中震甚至是大震作用下结构不坏,这将会使极大量的材料在绝大部分时间里,甚至在整个寿命期内都处于不能充分发挥作用的状态,这样做是不明智的。

在上述设计原则指导下,就要求结构处于这样一种状况:当小震来临,应确保所有的结构构件在抵抗地震作用力时,具有足够的强度,使其基本上处于弹性状态；并通过验算小震作用下的弹性位移共同来保证结构不坏。处于这个阶段的结构构件不会发生明显的非线性变形,也不需要采取特殊的构造措施。在中震作用下,结构的某些关键部位超过弹性强度,进入屈服,发生较大变形,达到非线形阶段,这时我们就需要提出延性要求(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) 。当中震来临的时候,因为结构具有非弹性特征,某些关键部位超过其弹性强度,进入塑性状态。由于它有一定的延性,它的非线性能够承担塑性变形,使它在变形中能够耗费和吸收地震能量。代价是可能导致较宽的裂缝,混凝土表皮起壳、脱落,可能有一定的残余变形,但不至于导致安全失效,以达到中震可修的设防目标。处于这个阶段的结构,对延性就会提出相应的要求,而延性就要靠精心设计的细部构造措施来保证。当大震来临的时候,结构的非线性变形非常大,也可能发生不可修复的破坏；处于这个阶段的结构就需要通过计算它的弹塑性变形来保证结构不致倒塌。

所以,通常我们只需要按小震作用效应和其它荷载效应的基本组合,验算构件截面抗震承载力及结构的弹性变形；而中震作用效应则需要结构靠一定的塑性变形能力(即延性) 来抵抗；所以结构延性对建筑抗震是极其重要的。

需引起注意的问题是,在讨论结构延性问题时,不能仅仅局限于延性系数,而要将结构的延性与结构的破坏模式联系起来。对于抗震结构来说,整体结构的延性比局部构件的延性更为重要。通常,构件的延性是保证出现塑性铰部位的变形能力和耗能能力,而结构的延性与构件的延性既有联系、又有区别,它反映的是整体结构在某种荷载下的宏观变形能力。具有整体型破坏模式的结构,结构中大部分构件的延性得以充分发挥,结构的稳定性大;而局部型破坏模式,即使局部破坏部位构件的延性很大,其结构稳定性也可能不好。因此,结构延性也只有对具有整体型破坏模式的结构才具有意义。比如说,延性系数达到6的全框支结构或形成柱铰机制的框架结构,其抗震性能和稳定性不可能好于延性系数只有3的剪力墙结构。

长期以来,人们将承载力安全储备和变形安全储备简单地割裂,而没有从两方面同时予以考虑。即通常在讨论安全储备时往往只考虑承载力储备,而在讨论延性时又指是在承载力基本保持不变情况下的变形能力。合理的结构安全储备定义应该是,结构破坏时的承载力和变形之积与结构满足正常使用条件下的承载力和变形之积之比；也可以采用结构破坏时的变形能与结构满足正常使用条件下的变形能之比。

强调提高结构承载力对结构的稳定性有以下几方面:

1) 对于关键构件,特别是对结构整体至关重要的构件,提高承载力安全储备比提高变形能力安全储备更重要,因为这些构件一旦达到其屈服承载力,即使其随后的变形能力再大,也难以避免结构的整体破坏,且破坏后果往往较严重,至少是难以修复的。而对于次要构件,增加延性则是十分重要的。

2) 现行的结构抗震设计理论,是在传统低强材料结构的基础上发展起来的，在罕遇地震下,仍要求低强材料结构处于弹性状态是不经济的。因此,现行的结构抗震设计理论容许结构在罕遇地震下产生一定程度的损坏,以利用损坏结构构件的塑性变形能和滞回耗能来耗散地震能量,避免结构的倒塌。随着经济材料技术的发展,高强结构材料逐渐应用于工程结构。高强材料的应用可以使得结构(特别是结构中的关键构件)具有更高的承载力安全储备；同时,将高强材料应用于结构中整体型关键构件,更有利于形成整体型破坏模式(对结构破坏模式的控制) ,增强结构的稳定性。

总语：近几年，全国各地地震频发，如汶川大地震，雅安地震。很多建筑物破坏形式都是整体失稳，而建筑物的延性以及承载力对于结构稳定性具有很大的影响，因此必须引起各方面的重视以减轻地震灾害的影响。

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