混凝土的抗震性.ppt

第第16章章 抗震性能抗震性能16.1结构抗（地）震性能的特点 结构在地震时发生的相应运动称为地震反应，包括位移、速度、加速度同时，结构内部发生很大的内力（应力）和变形，当它们超过了材料和构件的各项极限值后，结构将出现不同程度的各种破坏现象，例如混凝土裂缝，钢筋屈服，显著的残余变形，局部的破损，碎块或构件坠落，整体结构倾斜，甚至倒塌等等 在震中区附近，地面运动的垂直方向振动激烈，且频率高，水平方向振动较弱；距震较远处，垂直方向的振动衰减快，对地震区的大部分建筑而言，水平方向的振动是引起结构强烈反应和破坏的主要因素钢筋混凝土结构在地震作用下受力钢筋混凝土结构在地震作用下受力性能的主要特点有性能的主要特点有：•结构的抗震能力和安全性，不仅取决于构结构的抗震能力和安全性，不仅取决于构件的静承载力，还在很大程度上取决于变件的静承载力，还在很大程度上取决于变形性能和动力响应形性能和动力响应•屈服后的工作阶段屈服后的工作阶段•荷载的低周反复作用荷载的低周反复作用•变形大变形大16.2单调荷载下的延性 •延性的概念 结构（材料）的宏观力学性能，力-变形曲线在临近最大承载力的上下有可观的平台，即能够经受很大的变形，而承载力没有显著降低。

延性结构的优越性•破坏前有明显预兆，破坏过程缓慢，因而采用偏小的计算安全系数或可靠度•出现非预计荷载（偶然超载，荷载反向，温度升高或基础沉降等引起附加内力的情况下）有较强承受和抗衡能力•有利于实现超静定结构的内力充分重分布，提高结构承载力，充分利用材料效能•承受动力作用（振动、地震、爆炸等）情况下，减小惯性力，吸收更大动能，减轻破坏程度，有利于修复延性比：在保持结构或材料的基本承载能力的情况下，极限变形Du和初始变形Dy的比值•确定初始屈服点 ①能量等值法 ②几何作图法•确定极限点 ①取最大承载力下降15% ②取混凝土达极限应变值延性比的计算方法 ——钢筋刚屈服和混凝土达极限应变时的截面压区相对高度影响构建延性比的主要因素①受拉钢筋的含钢率和轴压比的增大，使极限状态时的压区高度加大，延性减小②受压区配置钢筋和提高混凝土强度等级，使压区高度减小，延性增大③提高受拉钢筋的屈服强度，使屈服曲率增大，延性比下降④构件加密箍筋，构成约束混凝土，增大了混凝土极限压应变，有利延性保证结构延性的一系列措施•设计原则中要求“柱强于梁” 、“剪强于弯”和“节点强于构件”，避免脆性破坏•限制或减小截面的极限压区高度、轴压比、配筋率最大值和高强度等级钢筋的使用•增大最小含钢率，加长锚固长度，加密箍筋等塑性区转角 钢筋混凝土结构在荷载作用下，当部分区段内的钢筋达到屈服强度，但截面弯矩仍小于其极限值时，在最大弯矩截面两侧形成一个塑性变形区。

此区段内钢筋的塑性伸长大，曲率大大地超过构件的其他部分，形成一个局部的集中转角，称为塑性（铰）转角形成塑性转角加大结构变形发生内力重分布 随着荷载和截面最大弯矩的增大，塑性区的长度和塑性转角继续加大当截面最大弯矩达到极限弯矩时，转角值也达到构件的极限塑性转角，即构件塑性区的极限转动能力16.3低周反复荷载下的滞回特性• 滞回曲线的一般特点 钢筋屈服前，构件虽已出现裂缝和混凝土塑性变形，但总变形不大，加载曲线斜率变化小，残余变形也小，正反加载各一次的滞回环不明显 受拉钢筋屈服后，混凝土受拉裂缝不断开展，钢筋拉应变和混凝土的压应变逐渐积累增大，总变形增加，此时正反加卸载曲线呈现出一些特点：•加载曲线——每一次加载过程，曲线的斜率随荷载的增大而减小，且减小的程度加快；比较各次同向加载曲线，后次曲线比前次的斜率逐渐减小，说明了反复荷载作用下构件的刚度退化数次反复荷载以后，加载曲线出现反弯点，形成捏拢现象，且捏拢程度逐次增大•卸载曲线——刚开始卸载时曲线陡峭，恢复变形很小荷载减小后曲线趋向平缓，恢复变形逐渐加快（恢复变形滞后现象）曲线的斜率随反复加卸载次数而减小，表明构件卸载刚度的退化。

全部卸载后，构件留有残余变形，其值随反复加卸载次数不断地积累增大捏拢现象•钢筋混凝土构件滞回曲线的捏拢程度主要取决于混凝土受拉裂缝的开展宽度、受拉钢筋的伸长应变、钢筋与混凝土相对滑移，以及混凝土受压塑性变形的积累、中和轴的变化等• 滞回环对角线的斜率反映构件总体刚度，包围的面积则是荷载正反交变一周时结构所吸收的能量多种受力状态的滞回曲线①配筋率②轴压比③短柱剪切④剪力墙⑤钢筋与混凝土的粘结-滑移⑥梁柱节点配筋率 不难看出，提高纵向配筋率，对于构件的滞回特性和延性都有明显改善，滞回环包围面积增加，捏拢现象缓解，耗能能力增强，刚度增大，有利抗震轴压比 轴压比低，滞回环丰满，延性好，捏拢现 象不明显短柱剪切剪力墙钢筋与混凝土粘结-滑移梁柱节点恢复力模型•建立截面性能恢复力模型的原则①以材料本构关系为基础②假设构件符合平均平截面变形的条件③建立内外力平衡方程 三线型退化恢复力模型•骨架线——由构件的混凝土受拉开裂、受拉钢筋屈服和极限状态时的三个点相连得到•卸载线——取为斜直线，斜率随开始卸载时的弯矩或曲率值变化•再加载线——由一个方向卸载至M=0，以此时残余曲率为起点反向加载，与上一循环曾达到最高点直线相连。

如果该最高点未超过开裂点（或钢筋屈服点），则与此特征点相连，再沿骨架线前进第第17章章 疲劳性能疲劳性能•结构疲劳：结构在其内力低于静承载力的多次作用后发生破坏的现象•发生疲劳破坏一般原因：材料内部存在细微缺陷17.1混凝土的疲劳性能可将混凝土的疲劳破坏过程分成3个阶段：①试件内薄弱区形成初始裂缝，应变增长较快②裂缝稳定发展，应变增加缓慢③裂缝不稳定扩展，应变发散等幅度和变幅度影响因素和计算式除应力变化幅度外，另有：•应力梯度•混凝土的材料和组成•加载频率•受拉疲劳强度应力梯度应力梯度混凝土的材料和组成混凝土的材料和组成 无直接影响，但通过影响混凝土的抗压强度而间接反映 高强度混凝土的内部缺陷较少，相对疲劳强度偏高，轻骨料混凝土刚好相反加载频率加载频率 频率在100-900次/min之间，对混凝土疲劳强度无明显影响 加载速度很慢，徐变出现多，疲劳强度降低受拉疲劳强度受拉疲劳强度 试验结果表明，无论轴心受拉、劈拉和弯曲受拉的混凝土疲劳强度，其相对值都与其抗拉强度相一致，但在拉-压反复作用下，混凝土疲劳强度，低于重复受拉的混凝土疲劳强度17.2钢筋的疲劳性能 钢筋疲劳破坏过程分3阶段①形成初始裂纹（初始缺陷，应力集中，滑移）②裂纹扩展（重复作用，积累）③试件破坏（剩余有效面积，脆性断裂）影响钢筋疲劳强度的因素•主要因素：应力变化幅度•其他因素：外形和直径 强度等级 钢筋的加工和环境 加载频率简化计算式或图表17.3钢筋和混凝土粘结的疲劳性能 在重复荷载作用下，钢筋混凝土结构中，由于钢筋应力的重复加卸载作用，粘结应力的分布不断变化，促使粘结损伤积累，相对滑移逐渐增大，粘结刚度减小，平均粘结强度降低。

这些统称为粘结的退化钢筋混凝土粘结退化的原因和机理 随着荷载重复作用的次数增多，上述钢筋粘结区的混凝土变形和损伤逐渐积累，钢筋横肋前的破损情况逐个地从加载端往自由端扩展，加载端滑移区扩大，试件总变形和滑移增加，钢筋的拉应力和粘结应力分布也随之变化 （不可恢复是一个重要特性）17.4构件的疲劳性能及其验算•钢筋混凝土结构在使用阶段存在受拉裂缝，重复荷载作用下力学性能退化，疲劳强度降低•疲劳破坏一般只发生在使用阶段存在裂缝的构件受弯疲劳受弯疲劳 钢筋混凝土受弯构件，在荷载重复作用下的开裂弯矩小于一次加载的开裂弯矩，其比值取决于混凝土的抗拉疲劳强度，随荷载重复次数增多而减小•绝大多数试件的破坏过程：梁内一根纵筋首先受拉疲劳断裂，其余钢筋的应力突增，裂缝开展，中和轴上移，压区面积减小，材料损伤积累，其余纵筋才相继疲劳断裂•一般取第一根主筋断裂时的荷载重复次数作为构件的疲劳寿命•疲劳荷载值 最小值取结构自重和恒载，考虑有效预应力；最大值取偏低的荷载标准值•验算条件 钢筋 混凝土•疲劳应力计算 •采用的基本假定： 截面应变保持平面 受压区混凝土应力为三角形分布 忽略中和轴下手拉去混凝土作用 换算面积时，取混凝土疲劳变形模量受（弯）剪疲劳受（弯）剪疲劳荷载的上限值达到构件的疲劳极 限，经过一定次数的重复加卸载作用，将发生斜裂缝（弯剪）疲劳破坏，破坏形态分两类•疲劳荷载值（同梁的抗弯疲劳验算）•验算条件 对不允许出现斜裂缝的构件 最大主拉应力 对允许出现裂缝的构件，计算名义剪应力，其值为混凝土主拉应力•疲劳应力计算。