钢筋混凝土柱荷载-变形计算的理论模型.pdf
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1、第 2 9卷 第 1期 2 O l 2年 3月 建筑科 学与 _T - 程 学报 J o u r n a 1 0 f Ar c h i t e c t u r e a n d C i v i l E n g i n e e r i n g Vo1 29 NO 1 M a r 2 01 2 文章 编 号 : 1 6 73 2 01 9( 2 0l 2) 01 0 03 8 1 2 0 钢筋混凝 土柱荷载一 变 形计算 的理论模 型 魏 巍 ( 1 人 连 理 上 大 学建设 T 程 学 部 , 辽 宁 大 连 巍 。 , 贡金 鑫 1 1 6 0 2 4 ;2 中交公路规划设计院有 限公 司,
2、北京 1 0 0 0 8 8 ) 摘 要 : 为得 到轴 向荷 载及 水平荷 载 作 用 下钢 筋 混 凝 土柱 的 荷 栽一 变 形 曲线 , 利 用 简化 的修 正 压 力 理 论描 述 剪切特 性 以及符 合 平截 面假 定的 弯 曲理论 描 述 弯 曲特 性 , 并认 为柱 端 产 生 的 总水 平 变 主要 由 弯曲 变形 、 剪切 变形和 钢 筋滑移 引起 的 变形组 成 , 提 出 了一 种分 析轴 向荷 载及 水 平荷 栽作 下钢 筋混凝 土 柱荷 载 变形 的新 方 法 , 它 可模 拟 钢 筋 混 凝 土柱 弯 曲破 坏 、 弯 剪破 坏 和 剪切 破 坏 的 程 ; 最后
3、将 荷 载 变形计 算 结果 与 1 5根 矩形 柱 的低 周反 复荷 载 试验 结 果进 行 了对 比分 析 。研 究 果表 明 : 按 本 文方 法计算 的荷 载 变形计 算 结 果与 滞 回 曲线 的外 包线 基本 一 致 , 可用 于轴 向荷 载 水平荷 载 作 用下钢 筋混 凝 土柱 的荷载 变形性 能分 析 。 关 键词 : 钢 筋 混凝 土柱 ; 水 平荷栽 ; 变形 ; 修 正 压 力场理论 ; 承 栽 力 ; 应 力 中图分 类 号 : TU3 7 5 1 文献标 志码 : A The o r e t i c a l M o d e l s o f Lo a d d e f
4、o r m a t i o n Ca l c u l a t i o n f o r Re i n f o r c e d Co n c r e t e Co l u m ns W EI W e i we i 。 ,G( ) NG J i n x i n (1 Fa c uhY of I nf r a s t r uc t u r e En gi ne e r i n gDal i a n Uni v er s i t y of F e c hn ol ogy,1 ) al i an 1 1 6 02 ,l,Li a oni ng,( h i n a 2 C CCC Hi g h wa y C
5、o n s u h a n t s C o ,I t d ,Be ij i n g l 0 0 0 8 8,Ch i n a ) Ab s t r a c t :To g e t l o a d d e f o r ma t i o n r e l a t i o n s h i p f o r r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o l u mn s s u b j e c t e d t O c o m hi ne d a c t i o n o f a x i a l l o a d a nd l a t e r a l l o a d, a n
6、e w me t h od wa s d e v e l o pe d us i n g s i m pl i f i e d mo di f i e d c ompr e s s i on f i e l d t he or y ( M CFT )t o de s c r i be s he a r b e ha vi or ,us i ng c o nv e n t i o na l s e c t i on a na l ys i s t O de s c r i be f l e x ur e be ha v i o r a nd c o ns i d e r i ng t h a t
7、 t he t o t a l l a t e r a 1 de f o r m a t i on o f a c ol u m n a t i t s e n ds wa s c ompr i s e d of de f o r m a t i on s d ue t O f l e xu r e, s he a r a nd r e i nf or c e m e nt s l i p Th e l oa ( 卜d e f or ma t i on c o ur s e s o f r e i n f o r c e d c o nc r e t e c ol u m n s f a i
8、l i ng i n f l e xu r a 1 f a i l ur e,f l e xu r e s he a r f a i 1 L j r e a n d s h e a r f a i l u r e we r e p r e 5 , e nt e d i n t hi s m e t ho d Fi na l l y, t he c a l c u l a t i o n r e s u l t s Of l o a d de f or m a l i on i n t he p a pe r we r e c o m p a r e d wi t h t h e r e s u
9、l t s o f 1 5 r e c t a ngu l a r c ol umns f r om wl r i ( ) U S l o w c y c l e r e v e r s e l oa d i n g t e s t s St u dy r e s ul t s s ho w t h a t t he m o de l pr e d i c t e d t he l oa d de f o r m a t i on r e s p ons e e n ve l op r e a s o na b l y we l 1 。S O i t c a n b e u s e d i n
10、 l o a d de f o r m a t i o n a n a l ys i s f or r e i nf o r c e ( 1 c o nc r e t e c o l u mns s ub e c t e d t O c o m bi ne d a c t i on o f a xi a l l o a d a nd l a t e r a l l o a d Ke y wo r ds : r e i nf o r c e d c o nc r e t e c ol umn; l a t e r al l o a d; de f o r ma t i on; mo di f i
11、 e d c o mpr e s s i o n f i e l d t h e or y: ) e a r i ng c a pa c i l Y;s t r e s s 引 口 红强 烈地 震 作 用 下 , 钢 筋 混 凝 士结 构 或 构件 要 经 受 多 次 反 复 作 用 , 荷 载一 变 形 呈 现 非 线 性 滞 回性 质 , 称 为滞 回 曲线 。滞 回 曲线 充 分 反 映 了 结 构 构 件 的强度 、 刚度 、 延 性 、 耗 能 能 力等主 要特 性 , 而根 据 滞 收 稿 日期 : 2 ( ) 1 1 1 0 2 0 基金项 目: 旧家 自然科学 璀金承点项 目(
12、 9 O 8 1 5 0 2 7 ) 作者 简介 : 魏巍巍( 1 9 8 2) 女, 辽宁锦州 人,I 学博士 , E ma i l : 3 1 3 4 5 8 6 wc i w e i we i g ma i l C O II I 。 场 形 用 过 结 和 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 魏 巍巍 , 等 : 钢 筋混 凝土 柱荷 栽一 变形 计算 的理 论模 型 3 9 回特性 建立 的恢 复力 模 型是对 结构 进行 动力 弹 塑性 时 程分 析 的依据 。建 立恢 复力 模 型需要 2 个 方 面 的 特性 : 一 是 骨架 曲线 , 即
13、从 原点 出发 把各 滞 回环 的顶 点 连起 来得 到 的曲线 , 一般 情 况下 , 骨架 曲线 与单 调 荷 载下 的荷 载一 变形 曲线 很接 近 , 因此建 立 钢 筋混 凝 土 构件 的恢 复力 模 型时 , 可用 单 调荷 载 下 的荷 载一 变 形 曲线 作为 骨架 曲线 来使 用 ; 二是滞 回规则 , 当采 用 P u s h o v e r 方 法对 结构 进 行非 线 性 静 力分 析 时 , 也 需 要 根据 一个 滞 回环 消耗能 量确 定等 效 的阻尼 比。 因 此 , 计算 单 调荷 载下 钢 筋 混 凝 土 偏 心 受压 构 件 的荷 载一 变 形 曲线非 常
14、重 要 。 试 验结 果表 明 , 在水平 荷 载和 轴 同压力 下 , 钢 筋 混凝 土 受压 构件 可 能会 发 生 3种 形 式 的破 坏 : 弯 曲破坏 , 这种 破坏 发 生于轴 力 和水平 力 较小 、 弯矩 较 大 时 的情况 , 构件 首先 形成 塑性 铰 , 钢筋 进入 流 幅状 态 , 构件 承 载力 达到 峰值后 缓慢 下 降 , 骨 架 曲线 的下 降 段平 缓 , 具 有 良好 的延 性 和 耗 能 能 力 ; 剪 切 破 坏 , 这种 破坏 发生 于构 件剪 跨 比较小 的情 况 , 纵 向钢 筋 不屈 服 , 承载力 达 到峰值 后 发生 陡 降 , 骨架 曲线
15、下 跌 , 破坏 时构 件 的强 度 、 刚度 退 化 严 重 , 延 性 和 耗 能 能力 很 差 ; 弯剪 破坏 , 这 种破 坏发 生 于 中等 剪跨 比 的构 件 , 在荷 载作 用 下 , 构 件 首 先 出现 弯 曲 裂缝 , 纵 向钢筋 屈服后 , 随着 变 形 的增 大 , 构 件 截 面 消 弱 , 最 终 发生 剪切破 坏 , 其 变 形 性 能 介 于弯 曲破 坏 与 剪 切 破坏之间。目前 , 已对弯曲破坏构件的荷载一 变形特 性进 行 了深入 的研 究 , 最为 常用 的模 型是 纤维 模 型 。 由于破 坏过程 的复 杂性 , 对 于 弯剪 破 坏和 剪 切 破 坏
16、 构件 的荷 载一 变形 特性 研 究很少 。 水平 荷 载下 钢筋混 凝 土构件 产 生 的总水 平变形 包括弯曲变形 、 端部钢筋滑移 引起 的变形和剪切变 形 。弯 曲变形 是 由水 平 荷 载 产 生 的 弯矩 引起 的 , 且 沿着 柱长 随弯 矩变 化 , 因此 荷 载一 弯 曲变 形关 系可通 过弯矩 一 曲率 分 析 得 到 。滑 移 变形 是 由埋 置 于柱 端 锚 固区混 凝土 中 的钢筋 在拉 力作 用下 沿埋 深 长度 累 积的应变使钢筋滑移引起 的, 柱锚 固区( 基础或梁柱 节 点 ) 钢筋 的滑 移会 使柱 产 生刚体 转 动 , 这 一 附加 的 转 动会 使柱
17、 、 梁 和墙 在 水 平 荷 载 作 用 下产 生较 大 的 位 移 。S e z e n 对 4根 双 曲率 柱 进 行 试 验 , 结 果 表 明 , 某 些情 况下 , 由钢 筋滑 移产 生 的变形 可 能会像 弯 曲变形 一 样 大 , 滑 移 变 形 占总 水 平 变 形 的 2 5 4 0 L 2 j 。剪切 变形 是 由施 加 于 柱 端 的 剪 力 引 起 的 , 随着 构 件开 裂程 度 的增 加 , 剪 切 变形 与总 变 形 之 比 随着 变 形 的增 大 而增 大 , 当位移 延 性系数 ( 总 位移 与 屈服 位 移之 比) 为 3时 可 达 到 4 0 。近 年
18、来 , 国外 学者基 于力 学原 理针 对钢 筋混 凝土 板或 梁柱 节点 提 出 了荷 载一 剪切 变形 分 析 的理 论 模 型 , 如 Ve c c h i o和 C o l l i n s的修 正压 力 场 理论 3 , Hs u等 的 软 化 桁 架 模 型l 5 及膜模 型 6 。很 多研 究者 用这 些理论 的分 析 结 果 研 究 柱 的荷 载一 剪 切 变 形 关 系 , 得 到 简 化 的荷 载一 剪 切变 形 模 型 , 这类 模 型 主 要 是 针 对 荷 载一 变 形 曲线上 的一 些关 键 点 进行 预测 , 由这 些 关 键 点 得 到 的简化 模 型虽然 可 大
19、致描 述钢 筋混 凝土 柱 的水平荷 载一 剪 切变 形趋 势 , 但 采 用 的是 由试 验得 到 的经 验公 式 , 不 能从 力学 角度 合理解 释 钢筋 混 凝 土柱 的荷 载一 变形特 性 。 修 正压 力 场 理 论 是 2 0世 纪 8 0年 代 以 C o l l i n s 为代表 的研 究者 提 出 的基 于力 学原 理 的混凝 土结构 抗 剪分 析模 型 , 这一 理 论 开辟 了 一条 解 决 钢 筋 混凝 土构件 抗剪 问题 的新 途径 。该模 型 考虑 了开 裂混凝 土承担 拉力 的作 用 , 可 以很好 地 预测 钢 筋 混 凝 土构 件 的抗 剪性 能 , 是
20、目前最 准确有 效 的模 型之一 , 得 到 国际上 的广 泛认 可 。然 而 , 修 正压 力 场 理 论 认 为钢 筋 混凝 土构 件 的受剪 承载 力由沿裂 缝面传 递 的剪应 力 和穿 过裂 缝 面的 箍 筋提 供 , 忽 略 了受 压 区 混凝 土 对 抗剪 的 贡献 , 因而 计 算 柱 的 受 剪 承 载 力 偏 小 。 研 究结 果表 明 , 对 于无 腹筋 钢筋 混凝 土梁 , 受压 区提 供 的剪 力 为 2 0 4 O , 对 于较 大 轴力 作 用 下 的钢 筋 混凝 土柱 受压 区 提供 的剪 力 更 大 , 因此 考 虑 受压 区提供的抗剪作用是有必 要的。受压 区
21、混凝土起 2 个 方面 的作 用 : ( _D 平衡 弯矩 、 剪力 和 轴力产 生 的纵 向 钢 筋 的拉力 或压 力 ; 提 供 抗 剪 能 力 。本 文 中笔 者 发 展 了修正 压力 场 理论 , 同 时考 虑 受 压 区 混凝 土 和 受 拉 区骨料 咬 合 力 及 箍 筋共 同对 构件 荷 载一 变 形 特 性的影响, 受压区按弯曲理论分析, 受拉区采用修正 压力 场 理论计 算 。 l 经 典的修 正压 力场 理论 经典 的修 正压 力场 理 沦所针 对 的是钢 筋混 凝土 构件 ( 板 ) 的纯 剪 状 态 。在 修 正 压 力场 理 论 中 , 将 开 裂 的混凝 土作 为一
22、 种新 材料 , 它具 有 自身 的应 力一 应 变关 系 , 并 按 照平 均应力 和平 均应 变建 立 了平衡 、 协 调和 本构 方程 。该 模 型 考 虑 了 压杆 倾 角 的 变化 、 混 凝土 的应 变软 化效 应 以及 裂 缝 处 的局 部 应 力条 件 , 可 以准确 计算 钢筋 混凝 土膜 单元在 平 面剪力 和轴 力 作 用 下 的应力 和变 形 。 1 1平 衡条 件 根 据 图 1 所 示 的混 凝 土平 均 应力 莫 尔 圆 , 可得 出下 面 的平 衡关 系 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 建 筑科 学与 工程 学报 2 0 l 2年
23、 p + ; l j、 p 1 , : a ) 膜 单几 ( b ) 混凝 土 平均应 力 莫 尔 圆 圈 1 单 兀 平 衡 条 件 Fi g 1 Equ i l i br i u m Con di t i o n s of Uni t p _, + , l v c o t ( ) ( 1 ) 一f0 _ + l w t a n( ) ( 2 ) 一 ( _, 、 l + 2 ) ( t a n ( O ) + c o t ( O ) ) ( 3 ) 式 中 : _ 、 分别 为单 元 纵 向 和 横 向应 力 ; , p 分 别为纵向配筋率和横 向配筋率 ; , 分别为纵向 钢筋 和横 向
24、钢 筋 的应 力 ; , 为垂 直 于裂 缝 方 向的平 均 主 拉 应 力 ; 、 为 平 行 于 裂 缝 方 向 的 平 均 主 压 应 力 ; 0为裂缝 倾 角 ; 为 抗剪 强度 。 1 2裂 缝处 的应 力 校核 钢筋 混凝 土构 件 的破 坏可 能不 是 由平 均 应力 引 起 的 , 而是 由裂缝 处 的局 部 应 力 引 起 的 。在 校 核 裂 缝 处 的局 部平 衡 条件 时 , 将 实 际 复杂 的裂 缝 理 想 化 成一 系列 纵 向钢筋 成 0 角 、 问距 为 的平行 裂缝 。 陶 2为裂 缝处 的应 力平 衡 。从 图 2可 以得 出裂缝 处 的钢 筋应 力 为
25、图 2 裂缝 处 的 应 力 平 衡 Fi g 2 Equ i l i b r i u m of S t r e s s e s at Cr a c ks p 一 v c o t ( 臼 ) + c o t ( ) ( 4 ) p , 一 w t a n ( ) t a n( ) ( 5 ) 式 中 : , 裂缝 表 面 的剪 应力 ; , 、 , , 分别 为纵 向和 横 向裂缝 处 的廊 力 。 从 式 ( 4 ) , ( 5 ) 可 看 m , 减 小 了横 向 钢 筋 的应 力 , 但增 大 了纵 向 钢筋 的应 力 。 的 最 大值 与裂 缝 宽度 髓 r 及最 大骨 料粒 径 有关
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