钢混结构延性的分类与度量问题及其影响因素研究

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【摘 要】混凝土结构或构件的破坏可分为脆性破坏和延性破坏两类，前者是指结构或构件达到最大承载力后突然丧失承载能力，在没有预兆的情况下发生的破坏；后者是指结构或构件承载力没有显著降低的情况下，经历很大的非线性变形后所发生的破坏，在破坏前能给人以警示。

【关键词】混凝土结构；结构延性；塑性变形；极限承载力；空间刚度；结构抗震

0 引言

延性概念具有丰富的内涵，从延性的本质来看，它反应了一种非弹性变形的能力，这种能力能保证强度不会因为发生非弹性变形而急剧下降。

1 延性的分类

（1）按研究对象分为：材料延性、截面延性、构件延性、结构延性。材料延性是指混凝土和钢筋的后期变形特征（包括材料的塑性、应变硬化和应变软化），变形特征常用应力应变曲线来表示。材料延性可用应变比εu/εy表示，材料的延性是一切延性计算的基础。截面延性常用曲率延性表示，构件或结构延性是指整个构件或整个结构的后期变形能力，通常用转角延性或位移延性表示。结构延性可以反映结构的总体变形性质，对抗震设计很重要，但是一般很难计算，有时以简单的截面曲率延性或构件的转角延性及位移延性来间接地加以反映。应当区分材料延性和截面延性两个概念，对于钢筋混凝土构件而言，只有在配筋率合适的条件下才能利用塑性良好的钢筋设计出具有足够延性的截面。结构延性和构件延性密切相关，但是这并不意味着结构中有一些延性高的构件，其结构延性就高。实际上，如果设计不合理，即使个别构件的延性很高，但结构延性却有可能相当低，所以也要区分构件延性和结构延性两个概念。

（2）按结构所承受外部作用的性质，延性可分为静力延性和滞回延性。静力延性是截面、构件或者结构在单调荷载作用下的延性，是指它们进入破坏阶段以后，在承载力没有显著下降的情况下承受变形的能力，即截面、构件或者结构的延性是反映它们后期变形的能力。“后期”则是指钢筋开始屈服进入破坏阶段直到最大承载力（或下降到最大承载力的85%）时的整个过程。“后期变形”包括材料的塑性、应变硬化和应变软化阶段。滞回延性是结构在周期荷载（反复交变荷载和单向重复荷载）作用下的延性，是指在承载能力始终没有明显下降的情况下，结构或者构件所能够经受的反复弹塑性变形循环的能力。

2 延性的度量

最常用的衡量延性的量化指标为曲率延性系数和位移延性系数。前者用于反映延性结构构件临界截面的相对延性，后者用于反映延性结构构件局部以及延性结构整体的相对延性。

2.1 曲率延性系数

极限曲率通常定义为一旦满足以下四个条件之一，即达到极限曲率状态：

1）核心混凝土达到极限压应变值。对混凝土构件而言，通常运用箍筋约束混值，使其具有一定的延性。因此，被箍筋约束的核心混凝土的极限压应变值，一般远远大于保护层混凝土的极限压应变值，在保护层混凝土剥落以后，核心混凝土仍具有相当的承载能力。因此，不能采用无约束的最外层混凝土的极限压应变作为达到极限曲率状态的标志。

2）临界截面的抗弯能力下降到最大弯矩值的85%。

3）受拉纵筋应变达到极限拉应变值。

4）受拉纵筋应变达到屈服应变值。

2.2 位移延性系数

3 影响构件延性的因素

3.1 纵向钢筋配筋率

3.2 横向配筋

采用密排箍筋能增加对受压混凝土的约束，不但能够防止混凝土在高应变下剥落和脆性的剪切破坏，而且使极限压应变εcu得到提高从而提高延性系数。横向钢筋有三个重要作用：（l）提供斜截面的抗剪能力；（2）约束核心混凝土，使普通混凝土的极限压应变提高，从而大大地提高塑性铰区截面的转动能力；（3）阻止纵向受压钢筋过早屈曲。此外，箍筋配筋率对混凝土的应变软化斜率和弯曲抗压强度有重要的影响。

3.3 材料强度

上述各影响因素可以归纳为两个综合因素，即混凝土相对受压区高度ξ和混凝土极限压应变εcu。钢筋配筋率和材料强度可以通过混凝土相对受压区高度体现而横向配筋可以体现在混凝土极限压应变中。减少受拉钢筋的配筋率，增加受压钢筋的配筋率，配置箍筋，采用低强度钢筋和高强度等级混凝土，都可以提高截面具有的曲率延性系数。但是这些因素也都决定着强度，在结构完成强度设计之后不易调整。因此抗震结构设计完成后，提高截面曲率延性系数的根本途径是提高混凝土的极限压应变εcu和降低极限状态下的截面相对受压区高度系数ξu。

3.4 钢筋锈蚀对曲率延性系数的影响

钢筋锈蚀率、钢筋表面锈蚀状况和锈蚀钢筋力学性能（包括屈服强度、极限强度及延伸率的退化等）是钢筋锈蚀对构件截面曲率延性特性产生影响的主要因素。试验研究表明，当钢筋锈蚀率较小时，钢筋混凝土之间的粘结性能会有一定程度的提高，随着钢筋锈蚀率的增加，钢筋与混凝土之间的粘结性能便发生很大程度的退化，从而使构件在受力过程中粘结强度难以保证。

3.5 混凝土劣化对截面曲率延性的影响

混凝土一般来讲是一种脆性材料，它弯拉破坏、剪切破坏突然，受压韧性也较低，特别是随强度提高韧性更差。混凝土材料的劣化将导致混凝土抗压强度及极限压应变的降低，引起截面的极限曲率的下降，从而影响构件的延性特性。有文献假定构件中钢筋未发生锈蚀，对混凝土的劣化对梁截面曲率延性的影响进行了研究。

实际受腐蚀钢筋混凝土构件很少是仅仅钢筋发生锈蚀或混凝土劣化，往往二者同时发生，钢筋的锈蚀作用不仅造成钢筋性能的退化，其锈蚀产物的生成引起的体积膨胀还将对周围混凝土造成挤压，造成混凝土的劣化；同样地，混凝土的劣化又对埋在其内部的钢筋锈蚀起着促进的作用。

4 结束语

总之，结构的延性对于衡量结构的抗震性能是非常重要的一个指标，良好的延性是结构抵抗地震作用的重要保障。

【参考文献】

[1]胡聿贤.地震工程学[M].地震出版社，2006.

[2]赵国藩，主编.高等钢筋混凝土结构学[M].机械工业出版社，2005.