結(jié)構(gòu)延性淺談分析
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，重要構(gòu)件往往通過限制配筋率來確保其性能發(fā)揮，超限審查中也經(jīng)常伴隨著提高某一批次構(gòu)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(gè)帽，延性指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件屈服后，強(qiáng)度或承載力沒有顯著降低時(shí)的塑性/非彈性變形能力。分為材料、截面、構(gòu)件及結(jié)構(gòu)延性，常用延性系數(shù)來表達(dá)，即：
材料延性是應(yīng)變延性，通過應(yīng)力-應(yīng)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(qū)高度來反映，表觀的是截面屈服后的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力；
構(gòu)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(zhuǎn)動(dòng)能力；
結(jié)構(gòu)延性也是位移延性，通過基底剪力-頂點(diǎn)位移曲線或?qū)蛹袅?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(gòu)件延性與結(jié)構(gòu)延性，材料延性與截面延性是負(fù)相關(guān)的，構(gòu)件延性與結(jié)構(gòu)延性的關(guān)系取決于塑性鉸形成后結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)制（仍是現(xiàn)階段結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域研究熱點(diǎn)與難點(diǎn)）。
材料延性是根本，是本構(gòu)關(guān)系的層次（本構(gòu)關(guān)系僅針對(duì)材料而言，然設(shè)計(jì)中不乏構(gòu)件本構(gòu)，更有甚者，出現(xiàn)結(jié)構(gòu)本構(gòu)），影響著其他三種延性，一般采用應(yīng)變延性指標(biāo)來衡量，即極限應(yīng)變/屈服應(yīng)變。結(jié)構(gòu)中存在兩大材料：鋼與砼，鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線設(shè)計(jì)者應(yīng)很熟悉，彈性段、屈服段（屈服點(diǎn)）、強(qiáng)化段與頸縮段，具體來講，鋼延性指標(biāo)=峰值應(yīng)力應(yīng)變/屈服點(diǎn)應(yīng)變；砼本構(gòu)研究最透徹的當(dāng)屬非約束混凝土的單軸受壓本構(gòu)，應(yīng)變延性與砼強(qiáng)度存在很大關(guān)系，隨強(qiáng)度提高，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的彈性工作段拉長，峰值應(yīng)變值提高，下降段陡峭（意味著脆性強(qiáng)化）。砼延性指標(biāo)=極限應(yīng)變/峰值應(yīng)變，砼極限應(yīng)變可取0.003~0.004，普通砼峰值應(yīng)變?yōu)?.0015~0.002，高強(qiáng)砼峰值應(yīng)變?yōu)?.002；實(shí)際結(jié)構(gòu)砼基本都屬于約束砼，由于箍筋的環(huán)箍效應(yīng)，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系也發(fā)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(guī)范中對(duì)材料使用的限定一般是從材料延性考慮，如“對(duì)于框支梁、框支柱及一級(jí)框架梁、柱，砼強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于c30…鋼筋的抗拉強(qiáng)度實(shí)測(cè)值與屈服強(qiáng)度實(shí)測(cè)值的比值不應(yīng)小于1.25…鋼材的屈服強(qiáng)度實(shí)測(cè)值與抗拉強(qiáng)度實(shí)測(cè)值的比值不應(yīng)大于0.85…”。
截面延性衡量著截面的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力，即塑性鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)能力，對(duì)應(yīng)于彎矩-曲率關(guān)系曲線，表達(dá)式為極限曲率/屈服曲率。在適當(dāng)配筋率下，由于受拉鋼筋屈服時(shí)截面并沒有屈服，因此需對(duì)屈服曲率進(jìn)行放大調(diào)整，調(diào)整系數(shù)約為1.1~1.2，即，極限曲率通常取受壓區(qū)邊緣混凝土達(dá)到其極限壓應(yīng)變時(shí)的曲率，即：截面曲率延性一般可從相對(duì)受壓區(qū)高度的角度理解，影響截面延性的因素主要有：
1）砼強(qiáng)度，兩面性：強(qiáng)度提高脆性增強(qiáng)，材料延性降低；強(qiáng)度提高受壓區(qū)高度減少，截面延性提高；
2）軸壓比，減小軸壓比，受壓區(qū)高度減小，延性提高；
3）箍筋，約束砼的極限壓應(yīng)變?cè)龃?，變相提高砼?qiáng)度，受壓區(qū)高度減小，延性提高（規(guī)范中軸壓比在特別箍筋條件下適當(dāng)放松，即是此方面的考慮）；
4）縱向鋼筋，高強(qiáng)度鋼筋à屈服強(qiáng)度高à屈服應(yīng)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(qū)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(guī)則截面（圓形、方形及矩形）破壞流動(dòng)性低，方向性明確，較不規(guī)則截面（異形柱）延性好。
對(duì)于壓彎構(gòu)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(gòu)件的塑性變形長度變大，因此截面延性提高。
但是，結(jié)構(gòu)工程師需要充分認(rèn)識(shí)到，配筋率不是提高豎向構(gòu)件延性的首要因素，即配筋率的功效比較低。對(duì)于受彎構(gòu)件（梁等），延性隨配筋率的提高而降低，但當(dāng)配置適當(dāng)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(guī)范弱化受拉鋼筋配筋率的緣由。
構(gòu)件延性表征的是塑性鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)能力，由于曲率與位移存在比值關(guān)系，因此位移延性與截面曲率延性存在關(guān)系式，k為與構(gòu)件長度、塑性鉸長度相關(guān)系數(shù)。構(gòu)件的塑性變形集中于兩端的塑性鉸區(qū)，曲率延性系數(shù)應(yīng)比位移延性系數(shù)大（截面延性要求高于構(gòu)件延性要求），才能保證抗震要求（關(guān)系式也傳達(dá)此信息）。
避免倒塌思路：位移延性系數(shù)限值（倒塌臨界值）à曲率延性系數(shù)à砼極限壓應(yīng)變à采取措施滿足。
結(jié)構(gòu)延性通常用頂點(diǎn)位移或?qū)娱g位移來表達(dá)，由于結(jié)構(gòu)延性與構(gòu)件延性存在藕斷絲連的聯(lián)系，因此結(jié)構(gòu)延性（系數(shù)）難直觀得出，常借助于靜力彈塑性分析近似判斷，也就是經(jīng)常見到的基底剪力-頂點(diǎn)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(shù)往往低估中間層的地震反應(yīng)）、極限/屈服位移的定義（一般極限位移可取峰值承載力90%對(duì)應(yīng)的位移，個(gè)別或若干構(gòu)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(jié)構(gòu)），所以，在靜力彈塑性分析中，工程師對(duì)于結(jié)構(gòu)整體性能的把握更為重要。
規(guī)范中關(guān)于構(gòu)件/結(jié)構(gòu)構(gòu)造的不同規(guī)定側(cè)重于不同的延性要求，
如材料延性：砼強(qiáng)度最低要求、鋼筋強(qiáng)屈比、鋼材的屈強(qiáng)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(tài)：彎曲破壞or剪切破壞）、截面相對(duì)受壓區(qū)高度限值、柱墻軸壓比及縱向鋼筋配筋率；
構(gòu)件延性：柱梁塑性鉸區(qū)砼的約束程度（箍筋加密要求）、梁柱墻剪跨比（決定著構(gòu)件破壞模式）、連梁、轉(zhuǎn)換構(gòu)件；
結(jié)構(gòu)延性：框剪、框筒的（類）0.2v0調(diào)整、剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)、轉(zhuǎn)換層、加強(qiáng)層、錯(cuò)層及嵌固端構(gòu)造要求（構(gòu)件延性的提高有利于結(jié)構(gòu)延性的發(fā)展，構(gòu)件延性的要求高于結(jié)構(gòu)延性，如非底部加強(qiáng)部位設(shè)置ybz、芯筒角部增設(shè)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(shè)型鋼、核心筒鋼板剪力墻等，上述措施也往往是超限結(jié)構(gòu)的構(gòu)造加強(qiáng)措施）。
另外，延性與承載力之間還有個(gè)比較有趣的現(xiàn)象：二者具有反向性。結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的延性隨著承載力的提高有降低的趨勢(shì)，可以來個(gè)極端比較，分別對(duì)某結(jié)構(gòu)進(jìn)行小/s、中/m及大/l震彈性設(shè)計(jì)，承載力，位移延性系數(shù) 。因此結(jié)構(gòu)工程師要把握好強(qiáng)度與延性的含量比，把握結(jié)構(gòu)的真實(shí)內(nèi)涵，設(shè)計(jì)出和力而有韌的合理結(jié)構(gòu)。