鋼筋混凝土框架柱的彈塑性

鋼筋混凝土框架柱的彈塑性分析[摘要]國內建筑結構針對中震、大震作用下基于性能抗震設計的彈塑性分析，規(guī)范雖然對有關高層建筑提出了要求，但分析標準還很不明確，國內工程師只得參考國際標準或規(guī)范。該文通過對鋼筋混凝土框架柱的仿真分析與我國及美國規(guī)范計算結果進行比較，以論證國內建筑結構參考國際標準或規(guī)范，進行針對中震、大震作用下基于性能抗震設計的彈塑性分析的可靠性及應注意的事項。一、引言我國規(guī)范針對中震、大震作用下結構基于性能的抗震設計，是以規(guī)定大量的抗震措施，來保證建筑結構達到中震可修，大震不倒的目標，但對中震、大震作用下的結構分析涉及甚少。針對大震作用下結構整體破壞，雖有結構整體彈塑性層間位移角的控制，但對內部結構構件的檢驗水準，只能參照有關構件承載力計算的相關規(guī)定，即可按規(guī)范計算出構件的屈服承載力，這大致等同國際標準或報告中的對安全使用、立即入住水準LS的規(guī)定。本文是針對我國建筑結構大震不倒水準的結構彈塑性分析而進行的研究，故在采用ANSYS進行仿真分析時，材料的強度取值均相應采用我國規(guī)范標準。但約束混凝土的本構模型及構件性能目標限值，我國規(guī)范現(xiàn)暫無確切的規(guī)定，則只好參照有關構件承載力計算的相關規(guī)定及國際標準或報告。本次研究，結合《混凝土結構設計規(guī)范》（GB50010-2002）[以下均簡稱我國規(guī)范]、《美國房屋建筑混凝土結構規(guī)范》(ACI318-05)[以下均簡稱美國規(guī)范]并參考國際通用的美國標準FEMA356，通過對塑性鉸的屈服承載力的兩國規(guī)范計算結果與ANSYS仿真分析結果進行比較，進而論證采用SAP2000對我國建筑結構進行結構彈塑性分析時，其結果的準確性及有關注意事項。假定軸壓比大于0.4，箍筋抗剪承載力大于或等于設計剪力的3/4，構件性能目標限值取值如下。安全使用水準IO(即B點），大致與我國的小震不壞目標相當：我國規(guī)范：彈塑性總應變限值，偏心受壓時為0.0033，軸心受壓時為0.002。FEMA356：偏心受壓時塑性鉸轉角限值取0.003，軸心受壓時塑性鉸轉角限值取0.0。震后不倒水準CP（即D點），大致與我國的大震不倒目標相當：我國規(guī)范：偏心受壓時沒有相應規(guī)定，參考整體位移不超過1/100，即塑性鉸轉角限值取0.01。軸心受壓沒有相應規(guī)定也無可參照的規(guī)定。FEMA356：偏心受壓時塑性鉸轉角限值取0.015，軸心受壓時塑性鉸轉角限值取0.01。二、框架柱設計說明框架柱設計截面為800mmX1000mm，柱高5000mm?；炷猎O計強度等級編號為C30，取混凝土強度標準值為20MPa，混凝土彈性模量取Ec=2.8X104Mpa，柱箍筋為HRB335，體積配箍率為3.0%?？v向鋼筋為HRB335，單側配筋率為1.2%。鋼筋強度標準值均取為335MPa。本文計算鋼筋混凝土框架柱PM相關塑性鉸屈服承載力時，材料強度均按標準值計算。三、按我國規(guī)范公式計算混凝土本構模型及其軸力-屈服彎矩相關曲線混凝土本構模型按《混凝土結構設計規(guī)范》（GB50010-2002）附錄三中單軸抗壓強度計算，結果圖3-1：混凝土應力-應變曲線。圖3-1：混凝土應力-應變曲線唇注：由于拿框架柱在代大偏壓壓調彎屈服后子，鋼筋屈秋服，混凝愉土嚴重拉副裂，抗拉稻強度幾乎債完全喪失葬，軸心受察壓屈服時綿，混凝土釋全截面受賠壓，故這托兩種情況依均無需考彼慮混凝土劃的抗拉強礦度。只是背在小偏壓繳壓彎屈服江當受拉區(qū)之應力較小鳳時，有可伯能混凝土亭會提供部割分抗拉強閥度。再結扣合我國規(guī)羨范，有壓撓彎構件不幕考慮混凝康土混凝土扭的抗拉強灘度的規(guī)定棟，故在此鉛也不考慮負混凝土的刑抗拉應勺力總-于應變關系滅，即本文刺不考慮拉刮彎框架柱茫的四P-惰M皆相關鉸，雅雖羊然蛇SAP2之00烤0篩的爛P-誤M畝相關鉸曲字線計算考積慮了拉彎緞框架柱劫的稿P-菌M刑相關鉸部縱分曲線。壩但對本文璃的研究并站無影響。哪根據《混批凝土結構啟設計規(guī)范鬧》嗎（良GB50休010-叛200提2必），取混虹凝土抗壓很強度標準躬值擇fck=炒2辣0撞，鋼筋抗祝拉、抗壓嚼強度標準式值均取胖為此fyk=啊33兩5蜜。經驗算守可得，當首構件總壓禍應變珍為護ε饒=0.0危03癥3凳時，最大夠屈服彎巷矩徒Muma起x=46別86.3鏈1kN.莊m晚，其大下木偏心分界睛處的臨界宇軸嬌力飼N=81結50.8賺4k采N呆。當構件元總壓應變干為猴ε任=0.0拒0請2酷時，最大薪破壞壓鄭力鳥Numa枝x=20材841.晴13k辨N袍。該框架辦柱衛(wèi)(Nu-傻Mu坡)攏軸論力趕-籍屈服彎矩縮相關曲線談詳旺圖坐3-舌2摘。醋圖秧3-纖2互：企Nu-M趟u夫軸脈力童-忙屈服彎矩赤相關曲線拖四育、乏SAP2著00躬0懸自銳動巴P-階M稠相關鉸計坐算課效SAP芝200殿0芹自路動凡P-厲M偽相關鉸計踐算是基于捏美國規(guī)范貝進行的，撈雖然本次汁計算所選存用的材料憶參數均是數滿足我國央規(guī)范要求后的，但由罷于規(guī)范公葛式的差別括，結果也罰有較大的冬差別，但坡為了明確辭兩國規(guī)范富的差異有叛多大，在腹此采話用識SAP2李00穗0穩(wěn)自牛動兆P-饅M究相關鉸計漲算功能，兔材料參數蜜及覺性能目標仁限值李參考我國桌標準，按嘉美國規(guī)范榮公式計算法出塑性鉸夢的屈服承在載力。津框架柱采艘用策SAP2蹲000辯1虜4慎中的甲Timo欺shen屢ko薯桿單元進肅行模擬，漲鋼筋混凝僵土框架截餃面儲P-我M修相關鉸賓在飄SAP2明000瘦1中4跨中暫采用廟自動鉸指捉定。此處聲僅繪板出綿SAP2柴00情0保計算的框桐架振柱珠P-企M旱相關鉸結滾果，詳匯圖策4-輛1救。浴圖涉4-陪1納：框架盞柱欠P-布M茶相關鉸結魔果雙從圖中可券以看出，套當框架柱睡達到屈服駐，偏心受排壓時，最循大屈服彎灘矩迷Muma份x=39境57.4蚊6kN.浴m隸，軸心受料壓時，最賊大破壞壓肉力慚Numa或x=19癢099.罷86k吼N勉。哥五俘、固ANSY廟S古仿真分析跟框架柱采欺用瘡soli為d6謝5必單元模擬稿，由于本掏次研究并糊不需考慮哪鋼筋與混蓋凝土界面長處的相對爭粘結滑移閱，鋼筋的倆應力詳情虹也無需查肥看，故本赤次鋼筋與席混凝土的謹組合采用嬸整體式建睜模，混凝懸土與鋼筋炮的材料模賭型各自獨慢立建立，剃混凝土考眠慮箍筋的錦箍模效應賽，采用結改合我國規(guī)片范的約束扶混凝土角（樹Kent婚-Par剝k火）模型，搶鋼筋的應劇力療-蜜應變關系葡采用雙直容線（完全鍋彈塑性模吩型）進行墻模擬。再宋應篩用摘soli墨d6休5耗單元強大員的鋼筋混糕凝土模型槍進行模擬洽。本次模字擬，考慮必混凝土開雙裂及壓碎朝，張開裂堅縫剪力傳爹遞系數淡取團0.誤5憂，閉合裂另縫剪力傳精遞系數縱取狐0.9頃5側。約束混好凝土先（粗Kent仇-Par堅k偶模型）的摧應工力縱-富應變曲線脈詳探圖挪5-1.諷圖襪5-士1貝：約束混憑凝土應閉力平-踏應變曲線畝（拼Kent劈-Par緒k址模型，配牙箍刃率搖1.5%閥C3氣0躍）鳴本文主要加是針對我感國材料的烏實際情況蠻，按我國膀的規(guī)范做凡彈塑性分慚析而進行句的研究，錄故在此按疾我國的規(guī)陣范規(guī)定，醒計算出塑集性鉸局的傘ANSY犯S箏分析結果住。宜我國規(guī)范授規(guī)定，小鳴震不壞目告標的軟性能目標勾限值械為偏心受葉壓時彈塑快性總應變愉不大壺于解0.00敲3辯3淘。大小偏初心受壓分資界處的臨蜻界軸力作脈用下，有再最大可承男受彎矩。廳故按柱頂余作用軸桶力暖N=81述50.8撿4k溫N介，進行彈手塑性推覆抖分析，在雷最大彈塑犧性總應變勸接怨近拌0.00服3遍3右時，其彈核塑性總應追變解的首ANSY研S逐仿真分析約結果詳辭圖冶5-拼2和。茂圖扁5-晚2積：彈塑性垃總應變拆的腹ANSY嚼S撓仿真分析款結果一俱根據我國贏規(guī)范規(guī)定閣，在邁第艘35梁3采步框架柱宋達到屈服做，破壞程過度達到小洞震不壞水荷準?？傻贸庾畲笄龔潥q矩占Muma使x=46羞18.3信0kN.盡m糧。熟隔欲當作用于虹框架的彎甘矩為零時班，柱可承暫受最大破誦壞軸力，焦此時柱即炮為軸心受蝴壓破壞。率根據我國缺規(guī)范規(guī)定喬，軸心受淋壓時，何性能目標挖限值老為彈塑性鍵總應變不刑大珠于掉0.00仰2腥。故按在積柱頂加軸絨心壓力作崇用，進行架彈塑性迭闖代分析，眨當彈塑性呼總應變達哲到胞0.00啦2船時，認為衰此時框架辭柱已破壞頭，破壞程坐度達到小方震不壞水防準。得到器的最大破者壞壓貫力殖Puma旅x=20掩792.絡16k腫N條。其彈塑有性總應變劈的揀ANSY牙S獄仿真分析著結果詳響圖氧5-框3板。巨圖托5-騙3尊：彈塑性仙總應變寬的犧ANSY淹S聞仿真分析鏈結果二廢由于暴性能目標饑限值循的差異，蠅塑性鉸屈享服承載力唯的計算結軌果自然也齊會有差異每。但我國辦規(guī)范對屈略服后的鐘性能目標妙限值境并不明確兆，故參逼考獄FEMA軌35致6頸的規(guī)定，第在此也計責算出相應向的塑性鉸匠屈服承載矩力蟲的款ANSY漿S浴仿真分析糞結果，以筍探討我國博建筑結構匆的彈塑性匪分析時，腿其艙性能目標漲限值嚇參創(chuàng)考目FEMA瀉35疼6猶的規(guī)定是滿否可行。槽FEMA憂35羅6花規(guī)定，生卸命安全、私立即入住尾（與我國幸小震不壞等目標相當搖）的目標晃的絮性能目標鏟限值葵為偏心受湊壓時塑性夕轉角不大褲于烏0.00擔3呼。大小偏末心受壓分玩界處的臨盞界軸力作惕用下，有憶最大可承段受彎矩。昨故按柱頂捆作用軸賀力允N=81氧50.8你4k磨N枯，進行彈輸塑性推覆餓分析，在比最大塑性咬轉角接燭近嗽0.00踏3麻時，其彈糧塑性轉角腦的瞇ANSY擊S標仿真分析上結果詳落圖亞5-窯4略。勺圖鎮(zhèn)5-爛4壽：彈塑性起轉角菊的冬ANSY夸S鏡仿真分析閱結果一挑偏心受壓奮時，在啞第謙30溜2禁步，主節(jié)肥點賣Y核方向塑性腥應變海為匙0.42悟E-桿3悲，總應變益為慌0.55窯7E-嗚3姜，可求得城塑性鉸轉歲角醋為闖φ貪≤詢0.00羅3畝.股按痛FEMA口35搶6角中有關勞性能目標困限值窯的規(guī)定，賓偏心受壓西時塑性鉸添轉角限值丘取溜0.00豐3唐，得到最緊大屈服彎喚矩柴Muma調x=47惡22.5示82kN霉.m.做軸心受壓塑時，在姿第寨2溉9深步，主節(jié)敗點堤X姑方向塑性受應變欄為晝0.38摧9E-云3丸，總應變綿為印0.48圍7E-杏3怎，可求得注塑性鉸轉么角萬為申φ流≤蜓0.0演.礎按包FEMA懸35鉆6蛇中有關恨性能目標庭限值信的規(guī)定，微偏心受壓父時塑性鉸盯轉角限值對取泰0.00捕3捏，得到的衛(wèi)最大破壞箱壓之力證Puma糟x=惰2依0780蓮.矩23k瓶N該。其彈塑拒性轉角吵的孝ANSY惑S班仿真分析閉結果詳醋圖紋5-瘦5臥。踢圖腐5-疾5守：彈塑性滿轉角棚的螞ANSY棉S手仿真分析崇結果弱二豬舊六、分析華結果比較大及結論贏1鉗、我國規(guī)胃范法跟與冶ANSY蟲S督仿真分析苗結果比較必繞犁現(xiàn)將兩種躺計算方法農所得最大芽屈服彎矩茂與最大破畝壞壓力分聲別列表如員下：送表截6-得1揚：塑性鉸花的屈服承間載力的我縱國規(guī)范法麥與音ANSY焦S理仿真分析評結果芬計算方法兵Muma弱x晶Numa虧x勤性能目標排限值標準役我國規(guī)范野4686剩.31減2084貍1.13露崇/熔ANSY臉S被4618辛.30狗2079妻2.16扎尾中國規(guī)范陡比值利1.47懷%僵0.24姐%恥從上網表螺6-倆1視可以看出誰，按我國匠鋼筋材料賠情況，約京束混凝土隊采用結合頁我國規(guī)范勇的火Kent丘-Par者k磁模型，采嚼用惹ANSY漏S鴿進行仿真擺分析，其景結果與按盤規(guī)范公式業(yè)計算出來愁的結果相齒比，差別濤很小，可魔見按我國滑規(guī)范計算宰鋼筋混凝鵝土框架柱伸塑性鉸的響屈服承載唱力，其結嫂果與實際版情況是非賺常吻合的報，準確性啦很強。也壘說明我國吸建筑結構食的彈塑性筑分析時，研鋼筋混凝推土框架老柱旱P馬M還相關鉸屈最服承載力摩按我國規(guī)學范計算是汽符合實際賄情況的也屆是合理的限。乖2連、美國規(guī)靠范法陸與罷ANSY不S圾仿真分析甜結果比較倒現(xiàn)將兩種刷計算方法涉所得最大己屈服彎矩率與最大破賄壞壓力分辰別列表如愈下：牙6-含2惕：塑性鉸地的屈服承舞載力的美浪國規(guī)范法嬸與鳳ANSY大S蒼仿真分析膜結果飼計算方法仔Muma虜x損Numa促x紀性能目標虎限值標準問美國規(guī)范曉4228翁.04醋1977涌1.84堡/答ANSY水S糖4722珍.58哥2078包0.23幻勾FEMA才356蘆比值偏-10.剖47%浪-4.8晶5%嶄從上表可剛以看出，征塑性鉸的拐最大屈服逆彎矩，按抽美國規(guī)范偽的計算結偷果叮與靠ANSY械S雜仿真分析境結果差值晃在至10均%起以上?？烧桃娒绹?guī)肥范并不適豪合我國材激料的實際槐情況。陰3尺、儲SAP2主00避0含自動鉸與拜規(guī)范鉸的欠比較緩現(xiàn)將兩種踩計算方法肢所得最大依屈服彎矩貌與最大破中壞壓力分鼓別列表如滾下：竿計算方法扣Muma僚x淘Numa遵x偶性能目標物限值標準面我國規(guī)范袋4686摘.31陜2084弄1.13療/炸ANSY迷S松4722鳥.58梨2078息0.23縱FEMA麥356熱比值趕-0.7榆7%喬0.29花%蓬從上表可證以看出，烘雖然兩者背性能目標技限值標準汗不同，但茫塑性鉸的眠最大屈服粘承載力結萄果非常接罪近，但值雖得注意的激是，最大餃破壞壓力廉相差雖然野只有鵝0.29度%俯，但是述，舟FEMA念35患