钢筋混凝土框架柱的弹塑性

钢筋混凝土框架柱的弹塑性分析[摘要]国内建筑结构针对中震、大震作用下基于性能抗震设计的弹塑性分析，规范虽然对有关高层建筑提出了要求，但分析标准还很不明确，国内工程师只得参考国际标准或规范。该文通过对钢筋混凝土框架柱的仿真分析与我国及美国规范计算结果进行比较，以论证国内建筑结构参考国际标准或规范，进行针对中震、大震作用下基于性能抗震设计的弹塑性分析的可靠性及应注意的事项。一、引言我国规范针对中震、大震作用下结构基于性能的抗震设计，是以规定大量的抗震措施，来保证建筑结构达到中震可修，大震不倒的目标，但对中震、大震作用下的结构分析涉及甚少。针对大震作用下结构整体破坏，虽有结构整体弹塑性层间位移角的控制，但对内部结构构件的检验水准，只能参照有关构件承载力计算的相关规定，即可按规范计算出构件的屈服承载力，这大致等同国际标准或报告中的对安全使用、立即入住水准LS的规定。本文是针对我国建筑结构大震不倒水准的结构弹塑性分析而进行的研究，故在采用ANSYS进行仿真分析时，材料的强度取值均相应采用我国规范标准。但约束混凝土的本构模型及构件性能目标限值，我国规范现暂无确切的规定，则只好参照有关构件承载力计算的相关规定及国际标准或报告。本次研究，结合《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）[以下均简称我国规范]、《美国房屋建筑混凝土结构规范》(ACI318-05)[以下均简称美国规范]并参考国际通用的美国标准FEMA356，通过对塑性铰的屈服承载力的两国规范计算结果与ANSYS仿真分析结果进行比较，进而论证采用SAP2000对我国建筑结构进行结构弹塑性分析时，其结果的准确性及有关注意事项。假定轴压比大于0.4，箍筋抗剪承载力大于或等于设计剪力的3/4，构件性能目标限值取值如下。安全使用水准IO(即B点），大致与我国的小震不坏目标相当：我国规范：弹塑性总应变限值，偏心受压时为0.0033，轴心受压时为0.002。FEMA356：偏心受压时塑性铰转角限值取0.003，轴心受压时塑性铰转角限值取0.0。震后不倒水准CP（即D点），大致与我国的大震不倒目标相当：我国规范：偏心受压时没有相应规定，参考整体位移不超过1/100，即塑性铰转角限值取0.01。轴心受压没有相应规定也无可参照的规定。FEMA356：偏心受压时塑性铰转角限值取0.015，轴心受压时塑性铰转角限值取0.01。二、框架柱设计说明框架柱设计截面为800mmX1000mm，柱高5000mm。混凝土设计强度等级编号为C30，取混凝土强度标准值为20MPa，混凝土弹性模量取Ec=2.8X104Mpa，柱箍筋为HRB335，体积配箍率为3.0%。纵向钢筋为HRB335，单侧配筋率为1.2%。钢筋强度标准值均取为335MPa。本文计算钢筋混凝土框架柱PM相关塑性铰屈服承载力时，材料强度均按标准值计算。三、按我国规范公式计算混凝土本构模型及其轴力-屈服弯矩相关曲线混凝土本构模型按《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）附录三中单轴抗压强度计算，结果图3-1：混凝土应力-应变曲线。图3-1：混凝土应力-应变曲线唇注：由于拿框架柱在代大偏压压调弯屈服后子，钢筋屈秋服，混凝愉土严重拉副裂，抗拉稻强度几乎债完全丧失葬，轴心受察压屈服时绵，混凝土释全截面受赔压，故这托两种情况依均无需考彼虑混凝土划的抗拉强矿度。只是背在小偏压缴压弯屈服江当受拉区之应力较小凤时，有可伯能混凝土亭会提供部割分抗拉强阀度。再结扣合我国规羡范，有压挠弯构件不幕考虑混凝康土混凝土扭的抗拉强滩度的规定栋，故在此铅也不考虑负混凝土的刑抗拉应勺力总-于应变关系灭，即本文刺不考虑拉刮弯框架柱茫的四P-惰M皆相关铰，雅虽羊然蛇SAP2之00烤0筛的烂P-误M亩相关铰曲字线计算考积虑了拉弯缎框架柱劫的稿P-菌M刑相关铰部纵分曲线。坝但对本文璃的研究并站无影响。哪根据《混批凝土结构启设计规范闹》吗（良GB50休010-叛200提2必），取混虹凝土抗压很强度标准躬值择fck=炒2辣0撞，钢筋抗祝拉、抗压嚼强度标准式值均取胖为此fyk=啊33两5蜜。经验算守可得，当首构件总压祸应变珍为护ε饶=0.0危03症3凳时，最大够屈服弯巷矩徒Muma起x=46别86.3链1kN.庄m晚，其大下木偏心分界睛处的临界宇轴娇力饲N=81结50.8赚4k采N呆。当构件元总压应变干为猴ε任=0.0拒0请2酷时，最大薪破坏压郑力鸟Numa枝x=20材841.晴13k辨N袍。该框架办柱卫(Nu-傻Mu坡)拢轴论力赶-籍屈服弯矩缩相关曲线谈详旺图坐3-舌2摘。醋图秧3-纤2互：企Nu-M趟u夫轴脉力童-忙屈服弯矩赤相关曲线拖四育、乏SAP2著00躬0悬自锐动巴P-阶M稠相关铰计坐算课效SAP芝200殿0芹自路动凡P-厉M伪相关铰计践算是基于捏美国规范贝进行的，捞虽然本次汁计算所选存用的材料忆参数均是数满足我国央规范要求后的，但由罢于规范公葛式的差别括，结果也罚有较大的冬差别，但坡为了明确辞两国规范富的差异有叛多大，在腹此采话用识SAP2李00穗0稳自牛动兆P-馒M究相关铰计涨算功能，兔材料参数蜜及觉性能目标仁限值李参考我国桌标准，按嘉美国规范荣公式计算法出塑性铰梦的屈服承在载力。津框架柱采艘用策SAP2蹲000辩1虏4慎中的甲Timo欺shen屡ko薯杆单元进肃行模拟，涨钢筋混凝僵土框架截饺面储P-我M修相关铰宾在飘SAP2明000瘦1中4跨中暂采用庙自动铰指捉定。此处声仅绘板出绵SAP2柴00情0保计算的框桐架振柱珠P-企M旱相关铰结滚果，详汇图策4-辆1救。浴图涉4-陪1纳：框架盏柱欠P-布M茶相关铰结魔果双从图中可券以看出，套当框架柱睡达到屈服驻，偏心受排压时，最循大屈服弯滩矩迷Muma份x=39境57.4蚊6kN.浴m隶，轴心受料压时，最贼大破坏压肉力惭Numa或x=19痒099.罢86k吼N勉。哥五俘、固ANSY庙S古仿真分析跟框架柱采欺用疮soli为d6谢5必单元模拟稿，由于本掏次研究并糊不需考虑哪钢筋与混盖凝土界面长处的相对争粘结滑移阅，钢筋的俩应力详情虹也无需查肥看，故本赤次钢筋与席混凝土的谨组合采用婶整体式建睁模，混凝悬土与钢筋炮的材料模赌型各自独慢立建立，剃混凝土考眠虑箍筋的锦箍模效应赛，采用结改合我国规片范的约束扶混凝土角（树Kent婚-Par剥k火）模型，抢钢筋的应剧力疗-蜜应变关系葡采用双直容线（完全锅弹塑性模吩型）进行墙模拟。再宋应筛用摘soli墨d6休5耗单元强大员的钢筋混糕凝土模型枪进行模拟洽。本次模字拟，考虑必混凝土开双裂及压碎朝，张开裂坚缝剪力传爹递系数淡取团0.误5忧，闭合裂另缝剪力传精递系数纵取狐0.9顷5侧。约束混好凝土先（粗Kent仇-Par坚k偶模型）的摧应工力纵-富应变曲线脉详探图挪5-1.讽图袜5-士1贝：约束混凭凝土应闭力平-踏应变曲线亩（拼Kent劈-Par绪k址模型，配牙箍刃率摇1.5%阀C3气0跃）鸣本文主要加是针对我感国材料的乌实际情况蛮，按我国膀的规范做凡弹塑性分惭析而进行句的研究，录故在此按疾我国的规阵范规定，醒计算出塑集性铰局的伞ANSY犯S筝分析结果住。宜我国规范授规定，小鸣震不坏目告标的软性能目标勾限值械为偏心受叶压时弹塑快性总应变愉不大壶于解0.00敲3辩3淘。大小偏初心受压分资界处的临蜻界轴力作脉用下，有再最大可承男受弯矩。厅故按柱顶余作用轴桶力暖N=81述50.8捡4k温N介，进行弹手塑性推覆抖分析，在雷最大弹塑牺性总应变劝接怨近拌0.00服3遍3右时，其弹核塑性总应追变解的首ANSY研S逐仿真分析约结果详辞图冶5-拼2和。茂图扁5-晚2积：弹塑性垃总应变拆的腹ANSY嚼S挠仿真分析款结果一俱根据我国赢规范规定阁，在迈第艘35梁3采步框架柱宋达到屈服做，破坏程过度达到小洞震不坏水荷准。可得斥最大屈服她弯岁矩占Muma使x=46羞18.3信0kN.尽m粮。熟隔欲当作用于虹框架的弯甘矩为零时班，柱可承暂受最大破诵坏轴力，焦此时柱即炮为轴心受蝴压破坏。率根据我国缺规范规定乔，轴心受淋压时，何性能目标挖限值老为弹塑性键总应变不刑大珠于掉0.00仰2腥。故按在积柱顶加轴绒心压力作崇用，进行架弹塑性迭闯代分析，眨当弹塑性呼总应变达哲到胞0.00啦2船时，认为衰此时框架辞柱已破坏头，破坏程坐度达到小方震不坏水防准。得到器的最大破者坏压贯力殖Puma旅x=20掩792.络16k肿N条。其弹塑有性总应变劈的拣ANSY牙S狱仿真分析著结果详响图氧5-框3板。巨图托5-骗3尊：弹塑性仙总应变宽的牺ANSY淹S闻仿真分析链结果二废由于暴性能目标饥限值循的差异，蝇塑性铰屈享服承载力唯的计算结轨果自然也齐会有差异每。但我国办规范对屈略服后的钟性能目标妙限值境并不明确兆，故参逼考狱FEMA轨35致6颈的规定，第在此也计责算出相应向的塑性铰匠屈服承载矩力虫的款ANSY浆S浴仿真分析粪结果，以笋探讨我国博建筑结构匆的弹塑性匪分析时，腿其舱性能目标涨限值吓参创考目FEMA泻35疼6犹的规定是满否可行。槽FEMA忧35罗6花规定，生卸命安全、私立即入住尾（与我国幸小震不坏等目标相当摇）的目标晃的絮性能目标铲限值葵为偏心受凑压时塑性夕转角不大裤于乌0.00担3呼。大小偏末心受压分玩界处的临盏界轴力作惕用下，有忆最大可承段受弯矩。昨故按柱顶捆作用轴贺力允N=81氧50.8你4k磨N枯，进行弹输塑性推覆饿分析，在比最大塑性咬转角接烛近嗽0.00踏3麻时，其弹粮塑性转角脑的眯ANSY击S标仿真分析上结果详落图亚5-窑4略。勺图镇5-烂4寿：弹塑性起转角菊的冬ANSY夸S镜仿真分析阅结果一挑偏心受压奋时，在哑第谦30溜2禁步，主节肥点卖Y核方向塑性腥应变海为匙0.42悟E-杆3悲，总应变益为慌0.55窑7E-呜3姜，可求得城塑性铰转岁角醋为闯φ贪≤询0.00罗3亩.股按痛FEMA口35抢6角中有关劳性能目标困限值窑的规定，宾偏心受压西时塑性铰添转角限值丘取溜0.00丰3唐，得到最紧大屈服弯唤矩柴Muma调x=47恶22.5示82kN霉.m.做轴心受压塑时，在姿第寨2溉9深步，主节败点堤X姑方向塑性受应变栏为昼0.38摧9E-云3丸，总应变绵为印0.48围7E-杏3怎，可求得注塑性铰转么角万为申φ流≤蜓0.0演.础按包FEMA悬35钻6蛇中有关恨性能目标庭限值信的规定，微偏心受压父时塑性铰盯转角限值对取泰0.00捕3捏，得到的卫最大破坏箱压之力证Puma糟x=惰2依0780莲.矩23k瓶N该。其弹塑拒性转角吵的孝ANSY惑S班仿真分析闭结果详醋图纹5-瘦5卧。踢图腐5-疾5守：弹塑性满转角棚的蚂ANSY棉S手仿真分析崇结果弱二猪旧六、分析华结果比较大及结论赢1钳、我国规胃范法跟与冶ANSY虫S督仿真分析苗结果比较必绕犁现将两种躺计算方法农所得最大芽屈服弯矩茂与最大破亩坏压力分声别列表如员下：送表截6-得1扬：塑性铰花的屈服承间载力的我纵国规范法麦与音ANSY焦S理仿真分析评结果芬计算方法兵Muma弱x晶Numa亏x勤性能目标排限值标准役我国规范野4686剩.31减2084狸1.13露崇/熔ANSY脸S被4618辛.30狗2079妻2.16扎尾中国规范陡比值利1.47怀%僵0.24姐%耻从上网表螺6-俩1视可以看出谁，按我国匠钢筋材料赔情况，约京束混凝土队采用结合页我国规范勇的火Kent丘-Par者k磁模型，采嚼用惹ANSY漏S鸽进行仿真摆分析，其景结果与按盘规范公式业计算出来愁的结果相齿比，差别涛很小，可魔见按我国滑规范计算宰钢筋混凝鹅土框架柱伸塑性铰的响屈服承载唱力，其结嫂果与实际版情况是非赚常吻合的报，准确性啦很强。也垒说明我国吸建筑结构食的弹塑性筑分析时，研钢筋混凝推土框架老柱旱P马M还相关铰屈最服承载力摩按我国规学范计算是汽符合实际贿情况的也届是合理的限。乖2连、美国规靠范法陆与罢ANSY不S圾仿真分析甜结果比较倒现将两种刷计算方法涉所得最大己屈服弯矩率与最大破贿坏压力分辰别列表如愈下：牙6-含2惕：塑性铰地的屈服承舞载力的美浪国规范法婶与凤ANSY大S苍仿真分析膜结果饲计算方法仔Muma虏x损Numa促x纪性能目标虎限值标准问美国规范晓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芦比值偏-10.剖47%浪-4.8晶5%崭从上表可刚以看出，征塑性铰的拐最大屈服逆弯矩，按抽美国规范伪的计算结偷果叮与靠ANSY械S杂仿真分析境结果差值晃在至10均%起以上。可仗见美国规肥范并不适豪合我国材激料的实际槐情况。阴3尺、储SAP2主00避0含自动铰与拜规范铰的欠比较缓现将两种踩计算方法肢所得最大依屈服弯矩貌与最大破中坏压力分鼓别列表如滚下：竿计算方法扣Muma僚x淘Numa遵x偶性能目标物限值标准面我国规范袋4686摘.31陕2084弄1.13疗/炸ANSY迷S松4722鸟.58梨2078息0.23纵FEMA麦356热比值赶-0.7榆7%乔0.29花%蓬从上表可证以看出，烘虽然两者背性能目标技限值标准汗不同，但茫塑性铰的眠最大屈服粘承载力结萄果非常接罪近，但值虽得注意的激是，最大饺破坏压力廉相差虽然野只有鹅0.29度%俯，但是述，舟FEMA念35患