第 43 卷第 5 期 2015 年 10 月 福州大学学报 ( 自然科学版 ) JournalofFuzhouUniversity(NaturalScienceEdition) Vol.43No.5 Oct.2015 DOI: /isn 文

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1 第 43 卷第 5 期 2015 年 10 月 福州大学学报 ( 自然科学版 ) JournalofFuzhouUniversity(NaturalScienceEdition) Vol.43No.5 Oct.2015 DOI: /isn 文章编号 : (2015) 钢筋高强混凝土偏压中长柱承载力研究 杨荣华, 焦俊婷 ( 厦门理工学院土木工程与建筑学院, 福建厦门 ) 摘要 : 基于考虑材料非线性和几何非线性耦合梁柱单元模型, 采用编制的钢筋高强混凝土结构非线性数值分析程序, 分析钢筋高强混凝土偏压中长柱极限承载力主要影响因素有长细比 相对偏心距 混凝土强度 纵筋配筋率等. 研究钢筋高强混凝土偏压中长柱极限承载力对各主要影响因素的敏感性, 依次为相对偏心距 长细比 纵筋配筋率和混凝土强度. 通过回归给出钢筋高强混凝土偏压中长柱极限承载力的计算公式, 为实际工程应用提供计算参考. 关键词 : 高强混凝土 ; 偏压中长柱 ; 承载力中图分类号 :TU375 文献标识码 :A Thebearingcapacityresearchforslenderreinforcedhighstrengthconcretecolumns undereccentriccompresionloading YANGRonghua,JIAOJunting (SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,XiamenUniversityofTechnology,Xiamen,Fujian361024,China) Abstract:Thebearingcapacitywasresearchedforslenderreinforcedhighstrengthconcrete(RHC) columnsundereccentriccompresionloading.basedontheelementmodelofbeam-columnwhen consideringmaterialnonlinearityandgeometricnonlinearity,thecomputerprogram wasgivenabout nonlinearityanalysisforrhcstructures.thenmainafectingfactorswereresearched,suchasslen dernesratio,relativeeccentricity,concretestrength,andlongitudinalreinforcementratio.theinflu encingorderofthesefactorswasrelativeeccentricity,slendernesratio,longitudinalreinforcementra tio,andconcretestrength,onthebearingcapacityforslenderrhccolumnsundereccentriccompres sionloading.aslast,thedesignformulaofthebearingcapacitywasgivenforslenderrhccolumns undereccentriccompresionloadingbyusingtheregresionstatisticsmethod,thiswouldoferdesign reference. Keywords:highstrengthconcrete;slendercolumnsundereccentriccompresionloading;bearing capacity 0 引言 我国大力提倡建设资源节约型 环境友好型社会, 随着高强 高性能混凝土应用逐渐推广, 加之建筑师强调建筑个性特点, 钢筋混凝土结构中长柱在工程中已时有应用, 中长柱破坏可能发生材料强度破坏或失稳破坏. 国内外现有文献对钢筋混凝土中长柱研究已取得一些研究成果 [1-9]. 张光玮 [1] [2] 张健等分 [3] 别对重庆大剧院的 C40 C60 细长柱进行了试验研究和理论分析. 刁波等采用段长法对任意截面钢筋混 [4] 凝土柱的稳定进行了简化计算, 理论计算与试验结果吻合较好. 魏巍等利用柔度法编制的非线性程序 [5] 分析了钢筋普通混凝土柱的极限承载力. 蒋秀根等利用有限元法分析了普通混凝土长柱的力与挠度全 [6] 过程加载的曲线关系. 薛建阳等对型钢再生混凝土长柱恢复力模型进行了试验研究, 基于试验数据给 [7] 出型钢再生混凝土长柱恢复力的特征参数计算方法. 王卫华等用 ABAQUS 非线性有限元软件分析了初 收稿日期 : 通讯作者 : 焦俊婷 (1968-), 教授, 主要从事钢筋混凝土结构非线性与耐久性研究,Jtjiao@xmut.edu.cn 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 ( )

2 第 5 期 杨荣华, 等 : 钢筋高强混凝土偏压中长柱承载力研究 677 [8] 始偏心距对钢筋混凝土短 中 长柱受压承载力的影响. 石立彬研究了钢筋混凝土细长柱受地震作用时 [9] 受力情况, 提出长柱的设计建议. 王依群等基于模型柱法提出了钢筋混凝土细长圆形截面柱承载力计算公式. 现有文献主要对钢筋普通混凝土中长柱 细长柱承载力进行研究 [3-9], 而对钢筋高强混凝土中长柱 细长柱承载力的研究较少 [1-2]. 鉴于此, 深入开展钢筋高强混凝土中长柱 细长柱承载力研究是必要的. [10] 在焦俊婷等建立的梁柱单元模型基础上, 对 C50 C60 C70 C80 钢筋高强混凝土偏压中长柱进行多种工况数值分析, 对钢筋高强混凝土偏压中长柱承载力主要影响因素长细比 λ(λ=l 0 /h) 相对偏心距 e(e=e 0 /h,e 0 为轴压力的初始偏心距 ) 混凝土强度 f c 纵筋配筋率 ρ 等因素进行分析, 并分析了钢筋高强混凝土偏压中长柱承载力的敏感因素, 最后拟合出钢筋高强混凝土偏压中长柱极限承载力 N u 的计算公式, 为实际工程应用提供计算参考. 1 单元模型 1.1 基本假设与材料本构模型 作如下假设 :1 平截面假设 ;2 忽略截面剪切力对截面变形的影响 ;3 钢筋与混凝土之间充分粘结, 无相对滑移 ;4 钢筋的应力 - 应变关系为理想弹塑性 ( 混凝土受压应力 - 应变关系采用文献 [11] 中本构模型, 忽略混凝土受拉应力 );5 柱截面加载前后始终垂直其轴线. 1.2 单元刚度 依据虚功原理推导考虑材料非线性和几何非线性耦合, 建立了梁柱单元模型 [10] : δp = l B T δσdl+ l δb T σdl= B T T B ( D t Bdl+ l l σd )lδw =(K 1 +K 2 )δw (1) w 式中 :δp 表示单元结点力矢量的增量 ;δw 表示单元结点位移矢量的增量 ;B 表示单元形函数矩阵 ;l 表示单元长度 ;σ 表示单元内截面力 ;D t 表示单元内截面切线刚度矩阵 ;K 1 表示考虑材料非线性引起的单元刚度,K 1 = l B T T B D t Bdl;K 2 表示考虑几何非线性引起的单元刚度 ( 即几何刚度 ),K 2 = l σdl. w 1.3 编程与计算程序的验证 基于梁柱单元模型, 用梁柱单元模型矩阵组装结构的整体矩阵, 为能够跟踪结构计算的下降段采用弧长增量迭代法求解非线性方程组. 用 Fortran 语言编制了钢筋高强混凝土偏压柱非线性分析程序. 用所编制的程序, 对文献 [12] 中试件进行计算, 并将计算结果与试验数据进行比较, 结果如表 1 所示, 二者吻合较好, 表明程序可行. 试件编号 表 1 理论计算与试验数据的比较 Tab.1 Comparisonoftheoreticalresultsandtestdata 试验值 N test /kn w y /mm w z /mm 理论计算值 N max /kn w y /mm w z /mm N test /N max C C C C C C 注 :1.w y w z 分别表示沿 y 和 z 方向的挠度 ;2. 极限荷载的试验结果与分析结果比值的平均值为 , 标准差为 偏压中长柱承载力的数值分析 2.1 偏压中长柱破坏与承载力主要影响因素研究指出钢筋混凝土中长柱承载力比截面承载力复杂, 其承载力受构件几何尺寸 支撑约束 刚度 htp://xbzrb.fzu.edu.cn

3 678 福州大学学报 ( 自然科学版 ) 第 43 卷 材料等影响, 二阶弯矩与初始弯矩叠加共同决定其承载力, 既有材料非线性也有几何非线性 [1-2,4-5]. 如图 1 所示, 柱的破坏形式有材料破坏和失稳破坏. 其中,N u 表示偏压柱的受压极限承载力,w 1 表示柱跨内最大挠度. 中长柱由于二阶弯矩的影响, 经常发生失稳破坏, 柱失稳破坏的承载力低于材料破坏的承载力. 现有试验与理论研究表明, 钢筋高强混凝土偏压中长柱承载力的主要影响因素有 : 长细比 λ(l 0 /h) 相对偏心距 e(e 0 /h) 混凝土强度 f c 和纵筋配筋率 ρ 等. 图 1 偏压柱的破坏 Fig.1 Thecolumnfailureundereccentriccompresion 2.2 计算工况为了较全面了解各影响因素对钢筋高强混凝土偏压中长柱承载力的影响, 分别采用不同的 λ e f c 和 ρ 等多工况, 计算铰支等初始偏心距 e 0 的中长柱极限承载力, 对比分析各参数对偏压中长柱极限承载力的影响. 具体计算工况参数见表 2, 共 =320 种不同工况, 柱截面配筋如图 2 所示. 表 2 计算工况 Tab.2 Calculationconditions b h/ mm mm 混凝土强度等级 e 0 /mm λ 纵筋 HRB400 保护层厚度 /mm C50 C60 C70 C h 0.20h 0.40h 0.60h 0.80h Φ18 8Φ20 8Φ22 8Φ 图 2 柱截面 Fig.2 Thecolumnsection-cros 2.3 各因素对偏压中长柱极限承载力的影响 为了较好地了解各影响因素对偏压中长柱极限承载力的影响规律, 采用增大因子 η, 即 : 将其它参数固定, 而只改变某一个参数 X, 该参数取值为 X 1 < X 2 < < X n, 其对应的极限承载力分别为 N u1, N u2,,n un, 则增大因子 η 分别取为 η 1 =N u2 /N u1,η 2 =N u3 /N u2,,η (n-1) =N un /N u(n-1). 若 η>1 表示极限承载压力随该参数增大而增大, 反之则表示随该参数增大而减小 ; 若 η 1 表示极限承载压力受该参数的影响较小. 当改变某个参数时, 其它参数不变的固定方式有多种, 文中对 η 在各个数值段的个数 n 进行统计分析, 计算其平均值 μ η 均方差 σ η 变异系数 δ η 和 m η (m η 为 η<1 时个数与 η>1 时个数的比值 ), 定性反映极限承载力随该参数的变化趋势. 1)λ 对极限承载力 N u 的影响. 图 3 为 N u 随 λ 变化的典型情况及 λ 变化时其增大因子 η 的统计直方图. 由图 3 可以看出 :1 随着 λ 的增大,N u 减小, 特别是相对偏心距越小 N u 减小越显著 ;2 增大因子 η 的值均小于 1, 其均值 μ η =0.84, 均方差 σ η =0.035, 变异系数 δ η =0.042,m η = htp://xbzrb.fzu.edu.cn

4 第 5期 杨荣华 等 钢筋高强混凝土偏压中长柱承载力研究 679 图 3 Nu 随 λ典型变化情况及 λ变化时 η的统计直方图 3 T fnu λ d m f ηw λ 2 对极限承载力 Nu的影响图 4为 Nu随 变化的典型情况及 变化时其增大因子 η的统计直方图 由图 4可以看出 ① 随着 的增大 Nu减小 当相对初始偏心距较小时 Nu减小显著 当相对初始偏心距较 大时 Nu 减小平缓 且增大混凝土强度对 Nu 的提高影响不大 ② 增大因子 η的值均小于 1 其均值 μη 0 7 0 均方差 ση 0 057 变异系数 δ 08 1 mη 25 6 0 η 0 图 4 Nu 随 的典型变化情况及 变化时 η的统计直方图 4 T fnu d m f ηw x b bf u d u

5 680 福州大学学报 自然科学版 第4 3卷 3 f 对极限承载力 N u 的影响图 5为 N u随 f 变化的典型情况及 f 变化时其增大因子 η的统计直方 图由图 5可以看出 ① 随着 f 的增大 N u 增大 相对初始偏心距较小时 增大混凝土强度对提高 N u影 响明显 而相对初始偏心距较大时 增大混凝土强度对提高 Nu影响不明显 ② 增大因子 η的值均大于 1 其值 μη 1 06 均方差 ση 0 03 3 变异系数 δ 0 31 mη 0 240 η 0 图 5 Nu 随 f 的典型变化情况及 f 变化时 η的统计直方图 5 T fnu f d m f ηw f 4 ρ对极限承载力 Nu的影响图 6为 Nu随 ρ变化的典型情况及 ρ变化时其增大因子 η的统计直方图 由图6可以看出 ① 随着 ρ的增大 Nu近似随 ρ线性增大 ② 增大因子 η的值均大于1 其均值 μη 1 13 均方差 ση 0 05 7 变异系数 δ 0 0 5 m 0 2 4 0 η η 图 6 Nu 随 ρ的典型变化情况及 ρ变化时 η的统计直方图 6 T fnu ρ d m f ηw ρ x b bf u d u

6 第 5 期 杨荣华, 等 : 钢筋高强混凝土偏压中长柱承载力研究 偏压中长柱极限承载力敏感因素分析 为了解钢筋高强混凝土偏压中长柱极限承载力 N u 对各影响因素的敏感程度, 进行因素方差分析 [13]. 各因素对 N u 影响的方差分析结果如表 3 所示. 由表 3 可知, 对钢筋混凝土偏压中长柱极限承载力 N u 的影响敏感性因素依次为 :e λ ρ 和 f c. 由此可见偏压中长柱的承载力设计不可忽视构件长细比的影响, 即刚度影响. e λ ρ f c 表 3 各因素对 N u 影响方差分析 Tab.3 Varianceanalysisforbearingcapacity 误差因素离差平方和自由度均方 F 检验影响性质 组间 组内 组间 组内 组间 组内 组间 组内 注 : 表示影响极具统计学意义, 即 :F 检验 >F 0.01 =3.78; 表示影响具有统计学意义, 即 :F 检验 >F 0.05 = 偏压中长柱承载力的计算公式 通过对表 2 中所列工况计算结果进行统计分析, 得到两端铰接等初始偏心距钢筋混高强凝土偏压中长柱极限承载力 N u 的回归计算式为 : N u =[a 1 e -a 2 e 0 /h (-a 3 λ+a 4 ρ+a 5 )+a 6 ρ-a 7 λ]bhf c (2) 式中 :a 1 a 2 a 3 a 4 a 5 a 6 和 a 7 为常系数, 其值见表 4. 按式 (2) 对表 2 中所列 320 种工况计算的 N u 和数值计算的 N u 之比的平均值为 , 均方差为 , 变异系数为 式 (2) 适用条件 :1 只针对两端铰接等初始偏心距时偏压中长柱的计算数据拟合得到, 其它约束或初始偏心距不等的情况不适用 ;2 只适用混凝土 C50 C60 C70 C80, 其它强度混凝土尚应研究补充 ; 3 计算仅对初始偏心距不大于 0.8h 的情况可用, 偏心距过大情况有待补充 ;4 计算仅对 h/b=4 3 的情况可用, 其它情况有待完善. 表 4 拟合系数 Tab.4 Thefitingcoeficients 混凝土强度等级 a 1 a 2 a 3 a 4 a 5 a 6 a 7 C C C C 结语通过大量的钢筋高强混凝土偏压中长柱极限承载力数值计算, 分析了多个主要影响因素对钢筋高强混凝土偏压中长柱极限承载力的影响情况, 经回归给出钢筋高强混凝土偏压中长柱极限承载力与主要影响因素之间的计算公式. 研究得到以下结论 : 1) 钢筋高强混凝土偏压中长柱极限承载力的主要影响因素依次是 e λ ρ 和 f c. 2)e 对钢筋高强混凝土偏压中长柱极限承载力影响最敏感. 随着 e 的增大,N u 减小. 当相对初始偏心距较小时 N u 减小显著 ; 当相对初始偏心距较大时 N u 减小平缓, 且增大混凝土强度对 N u 的提高影响不大. ( 转第 707 页 ) htp://xbzrb.fzu.edu.cn

吉林大学学报 工学版 244 第 4 卷 复杂 鉴于本文篇幅所限 具体公式可详见参考文 献 7 每帧的动力学方程建立及其解算方法如图 3 所示 图4 滚转角速度与输入量 η 随时间的变化波形 Fig 4 Waveform of roll rate and input η with time changing 图5 Fig 5 滚转角随时间的变化波形 Waveform of roll angle with

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为主的框架中长柱和以剪切破坏为主的框架短柱 提出了考虑钢管约束时变效应的中长柱滞回曲线纤维模型数值计算方法, 分别建立了中长柱和短柱的荷载 - 变形恢复力模型, 提出了框架柱的抗剪承载力计算公式, 提出了轴压比 钢管径厚比 方钢管设肋等构造措施 ; 解决了国内外缺少钢管约束混凝土框架柱成套抗震设计技 一 项目名称 : 钢管约束混凝土结构技术研究与应用二 申报奖种 : 科技进步奖三 项目简介 钢 - 混凝土组合结构 ( 简称 : 组合结构 ) 的承载力高 刚度适宜 抗震性能好 施工效率高 经济和综合效益好, 在我国的重点工程中得到了广泛应用 组合结构的主要形式是钢管混凝土和型钢混凝土, 但钢管混凝土存在耐火极限偏低 与混凝土梁连接复杂 薄壁高强钢管难以应用等问题, 而型钢混凝土也存在梁柱节点复杂

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