钢筋混凝土构件承载力非线性分析

钢筋混凝土构件承载力非线性分析

肖

潇

(西南交通大学土木学院,四川成都610031)

　　【摘　要】　鉴于工程实际中在计算钢筋混凝土构件承受荷载工作时不考虑混凝土的抗拉性能。文章着重分析在钢筋混凝土共同工作时考虑混凝土抗拉性能时的非线性曲线。　　【关键词】　混凝土抗拉性能;　结构开裂;　opensees;　非线性曲线　　【中图分类号】　TU31211　　　　　　　　　　　【文献标识码】　A

　　在工程实际中,考虑混凝土构件受力或是配筋时并不考

虑混凝土有一定的抗拉性能。人们一般认为只要混凝土受到拉力就立即开裂,这时混凝土退出工作,由混凝土中的钢筋承担受拉荷载。但如果能够将混凝土的抗拉性能也利用起来的话,对于建筑物的安全和经济效益也是有利的。

　　程序将梁在跨度方向上分为

10个单元,11个

+

节点。有关跨中挠度与荷载的关系曲线,实验结果,两种抗拉强度下的计算结果和江见鲸教授的计算绘于图2中。由图可见,计算结果均相当

图2　跨中扰度与荷载曲线

1　使用的分析软件

　　在本文中,笔者用太平洋地震中心开发的Opensees来对混凝土受拉性能进行分析。

Opensees是太平洋地震中心开发的专门分析结构受力性能的力学软件。与一般力学软件相比,Opensees着重于对每一个构件的钢筋混凝土的应力应变进行分析。

2　考虑混凝土抗拉性能的非线性曲线

　　本文分别以两个例子来分析混凝土抗拉性能产生的影响。

211　跨中受集中荷载的简支梁

接近实验结果。

取不同抗拉强度的FEM1和FEM2两条曲线对比可知混凝土抗拉强度的取值对钢筋混凝土结构的极限承载力影响不大,而对结构的开裂荷载影响较大。当混凝土抗拉强度取为5MPa时(曲线FEM2),程序计算结果与试验结果吻合得比较好。而当混凝土抗拉强度取为2145MPa时(曲线FEM1),程序计算结果与江见鲸教授的计算结果(如图2)吻合得比较好。

212　端部受集中荷载的悬臂梁

梁的跨度为316576m,截面尺寸为55125cm×22186cm。配有4根受拉钢筋,总面积为2518cm,没有任何腹筋。梁受

一集中荷载作用,破坏荷载为25811kN(图1)。由于这批梁的试验结果良好,被很多学者用来作为数值分析的例子,用以验证程序的正确性(清华大学江见鲸教授也对此问题作了深入的研究,本文会将结果与江见鲸教授的计算结果进行对比)。

2

有一钢筋混凝土悬臂梁(如图3所示)在悬臂端部矩形截面的形心处受一组集中荷载作用。这组集中荷载由一个固定的轴向压力N和位于垂直于轴向力N的截面上(与竖直方向成α角度)的切向力组成。

图1　跨中受集中荷载的简支梁

计算中所需要的混凝土材料常数取值:抗压强度为2415

MPa;初始模量为2113GPa;屈服应变为01002。在程序实现

中,本文采用了两种抗拉强度来计算。如图2所示,FEM1曲线取的混凝土抗拉强度为2145MPa,而FEM2中取的混凝土

抗拉强度为5MPa。(江见鲸教授的研究中取混凝土抗拉强度为2145MPa)。关于钢材的弹模,因为钢筋应力在试验中直到破坏(剪切破坏)都未超过662MPa,所以取其初始模量为19114GPa。

图3　端部受集中荷载的悬臂梁

(下转第117页)

[收稿日期]2007-09-06

[作者简介]肖潇(1982～),在读硕士研究生,从事结构

抗震研究。

四川建筑　第28卷4期　2008108

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转折较多,对建筑功能使用及防水处理均带来了较大难度。

按Lmax=115

EHαT||arcch计算,由于采用天然Cx|αT|-εp

-2

3

-4

工程结构　

伸缩缝,保留横向伸缩缝,将建筑分为3个60m×78m的单

体,但该尺寸仍属超长范围。

由Lmax=115

EH|αT|arcch计算,Cx取3×10-2

αT|-εCx|p

地基,Cx可取3×10N/mm,取ε10时,Lmax=p为115×

115m。参考中国建筑材料科学研究院“超长钢筋混凝土结构无缝设计施工方法”等有关技术措施,取消所有伸缩缝,建筑空间得以充分利用。地下室底板及外墙防水做法简单可靠。纵横向各设置两道2m宽加强带,掺加UEA-D型膨胀剂,一般位置混凝土水中养护14d限制膨胀率不小于

01015%,加强带位置混凝土水中养护14d限制膨胀率不小

N/mm3,取ε10-4时,Lmax=90m[2]。参考中国建筑p为115×

材料科学研究院“超长钢筋混凝土结构无缝设计施工方法”等有关技术资料,决定采取如下措施。

(1)沿78m方向设置两条加强带,带宽2m,加强带处

混凝土掺加膨胀剂,其14d水中养护限制膨胀率不小于

0103%。一般位置14d水中养护限制膨胀率不小于01015%,在混凝土内产生预压应力,抵抗收缩变形及温度应

于0103%,此时可认为ε10p值取310×

-4

,Lmax计算值为193

m。本工程采取下列措施,认为可不设伸缩缝。

(1)基础底板、挡土墙、地下室顶板、一层顶板混凝土内

均掺加UEA-D型膨胀剂,纵横向均设置两条加强带,一般位置掺量为11%,混凝土水中14d养护限制膨胀率为

01015%～0102%;加强带位置掺膨胀剂13%,混凝土水中14d养护限制膨胀率为0103%～0104%;养护位置混凝土与加

力,加强带混凝土两侧设钢丝网。

(2)2层顶板上皮钢筋中间空区加设钢丝网,控制混凝土裂缝开展。

(3)加强2层顶板保温,采用150mm厚珍珠岩保温板。(4)加强混凝土养护,浇筑完初凝前采用木抹抹平压实,

拆模时间比一般工程晚3～5d,浇水养护时间不少于14d。

强带位置采用钢丝网分开,避免混凝土相互流动。

(2)地下室顶板、1层顶板设置冷拔丝网,控制板面开

5　小　结

　　混凝土结构伸缩缝间距主要受混凝土收缩及温度应力

影响,根据不同的工程实际情况,采用“放”及“抗”的措施,控制混凝土内拉应力的大小,即可达到控制裂缝开展的目的,也可加大伸缩缝间距,取得较好的经济效益及社会效益。

以上工程实例通过几次现场回访,均未发现裂缝,使用效果良好。

参考文献

[1]　JGJ3-2002高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[2]　王铁梦.工程结构裂缝控制[M].中国建筑工业出版社,2005.[3]　游宝坤.混凝土建筑结构裂缝控制的技术措施[J].建筑结构,

2002,32(10).

裂。

(3)增强地下室顶板及1层顶板部分广场处的保温,采

用高强度50mm厚挤塑保温板进行保温处理。

(4)混凝土挡土墙加设腰梁,控制混凝土收缩变形。挡

土墙加强带采取两周后后浇型式,减少混凝土收缩影响。

(5)混凝土浇筑后初凝前采用木抹抹平压实,混凝土拆模

时间比一般工程晚拆3～5d,浇水养护时间不得少于14d。

4　工程实例三

　　某大型批发市场,两层,长180m,宽78m,全现浇框架

结构。按规定纵、横向均应设置伸缩缝,这就影响建筑使用功能,建筑防水节点构造复杂。结构设计人员考虑去掉纵向

(上接第115页)　本文分析了当α=0°时(此时P为竖向

端部集中荷载产生的弯曲拉应力,使得构件破坏延后,也掩盖了由于没有考虑混凝土的拉应力而带来的结果的差异。

而当N=0时,构件存在混凝土的拉应力,若不考虑混凝土的拉应力会引起结果的巨大偏差。同时也验证了混凝土的拉

应力对钢筋混凝土结构的极限承载力影响不大,而对结构的

力),在不同的轴向力N的条件下悬臂梁的P-Δ关系(Δ为竖向位移),结果示于图4中。

从图4可以

看出当

N

=

1000kN和N=500kN时,程序

开裂荷载影响较大。

的求解结果和江见鲸教授的计算结果吻合得很好,但当N=0kN时,两者结果在加载的开始阶段有

图4　悬臂端挠度与荷载关系曲线

3　结束语

　　从本文的例子中看到,考虑混凝土抗拉性能对结构开裂荷载影响较大,若能够将混凝土抗拉性能利用起来将有效地提高结构构件对于抵抗裂缝的性能。但是对于混凝土抗拉性能来说,它是一种非延性脆断,这种脆断在地震作用中显然是不利的。

参考文献

[1]　过镇海,时旭东.钢筋混凝土原理和分析[M].北京:清华大学

很大的差距,随着

加载的进行,两种

结果愈加接近。主要的原因是江见鲸教授在此时完全忽略了混凝土拉应力的影响,而本文考虑了混凝土的拉应力。当

N=1000kN和N=500kN时,因为轴向力的存在平衡了由于

出版社,2003.

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