无黏结预应力型钢混凝土偏心受压构件非线性分析.pdf

2 0 1 5年 第 1 1期 ( 总 第 3 1 3 期) Nu mb e r 1 1 i n 2 0 1 5 ( T o t a l No 3 1 3 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 T HEORETI CAL R ES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 5 1 1 0 1 1 无黏结预应 力型钢混凝 土偏心 受压构件非线性分析 吴迪 。王连广 ( 1 中国建筑东北设计研究院有限公司， 辽宁 沈阳 1 1 0 0 0 6 ； 2 东北大学 资源与土木工程学院， 辽宁 沈阳 1 1 0 0 0 4 ) 摘要 ： 为了研究无黏结预应力型钢混凝土偏心受压构件的工作性能， 采用纤维模型法编制非线性分析程序， 通过绘制曲线的 方法 ， 更直观的来研究其荷载与变形的关系。 以混凝土强度等级， 作用点至截面形心的距离， 长细比以及构件的含钢率作为主要 研究参数来分析其对荷载 变形关系曲线的影响。 最后得出结论 ： 混凝土强度等级的提高 ， 含钢率的增加会提高构件的承载能 力 ； 偏心距和长细 比的增大会大幅度降低构件的承载能力 。 关键词 ： 无黏结预应力； 型钢混凝土 ； 偏心受压； 非线性分析 中图分类号： T U 5 2 8 O 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 1 1 0 0 3 8 0 3 N on l i n e a r a n a l y s i s o f e c c e n t r i c a l l y l o a d e d me m b e r s o f p r e s t r e s s e d s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e u s i n g u n b on d e d t e n d o n s W 【 ， W AN G Li a n gu a n g ( 1 No r t h e a s t Ar c h i t e c t u r a l De s i g n a n d Re s e a r c h I n s t i t u t e ， S h e n y a n g 1 1 0 0 0 6， C h i n a ； 2 S c h o o l o f R e s o urc e s a n d C i v i l E n g i n e e r i n g ， No r th e a s t e r n Un i v e r s i t y， S h e n y a n g 1 1 0 0 0 4， C h i n a ) Abs t r ac t ： To an a l y z e t h e s t a ti c p e r f o r ma n c e o f e c c e n t r i c a l l y c o mp r e s s e d p r e s t r e s s e d s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e me mb e r s ， a fib e r mo d e l i n g wa s i n t r od u c e d i n c r e a ti ng a no n l i n e a r a n a l y s i s p r o g r a m t o c o mpu t e t h e r e l a ti o ns h i p b e t we e n l o a d an d d e fle c ti on Th e i n flu e n c e s o f s tre n g th o f c o n c r e t e， s l e n d e rn e s s r a tio， e c c e n t r i c i t y， s t e e lr e i n f o r c e d r a t i o o n the m e c h a n i c a l p r o p e rty o f e c c e n t r i c a l l y l oa d e d m e m b e r s we r e a n a l y z e d Al s o the c o r r e s p on d i n g l o a dd e f l e c t i o n c u r v e s we r e d r a wn f r o m t h e p r e v i o us mo d e l s Th e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t the b e ar i n g c a p a c i t y o f c o mp o s i t e me mbe r s i n c r e a s e d wi t h i n c r e a s i ng c o r e c o n c r e t e s tre n g th an d s t e e lr e i n f or c e d r a t i o， d e c r e a s e d wi t h i n c r e a s i n g e c c e n t ri c i ty a n d s l e n d e r n e s s r a t i o K e y wor d s： u n b o n d e d t e n d o n s p r e s tr e s s e d f o r c e s ； s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e ； e c c e n t r i c a l l y l o a d e d； n o n l i n e ar a n a l y s i s 0 引 言 较好 的延性 、 高承载力 以及较强 的耐腐蚀性 ， 使 型钢 混凝土结构在大跨结构和超高层建筑中得到了广泛的应 用 。 作为轴心受压构件 ， 型钢混凝土柱在其工作 过程 中偏 于一种理想的受力状态 。 但事实上 ， 在施工过程 中， 由于施 工工艺、 材料缺陷及荷 载作用位置等 因素 的影 响 ， 极 有可 能产生构件 受力 的偏 心 ， 形 成偏 心受 压柱。 为 了更好 的 发挥其优越 的抗压性能 ， 可 以利用 预应力技术来克服 这个 问题 ， 即形成预应力 型钢混凝 土偏心受压构 件 。 通过对 型钢混凝土柱施加预应力将其转化为标 准的轴心受压柱。 现如今 ， 针对型钢混凝土柱 的受力性能 的研究 已经取 得了 一 系列的成果 。 ， 但对 内部布置无 黏结预应力筋 的型钢 混凝土偏 心受压柱非线性分析的报道并不多见。 为了进一 步研究无黏结预应力 型钢混凝 土偏心受压构件 的工作 性 能 ， 笔者采用通过纤维模型法编制的偏心受压柱 的非线性 分析程 序 ， 分 析 了各 相 关 因素 对 偏 心 受 压柱 承 载 力 的 影响 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 2 0 3 38 1 偏心 受压构件 全过程分析 1 1 本构模型 1 1 1 混凝土本构关系 混凝土受压 的应 力应变关系 ， 采用 混凝 土结构设计 规范 中的规定 。 JI 一 ( 一 S 。c ) ( s c e o ) ( ) 【 = ( s 0 8 。 s ) n = 2 一 亩( ， c u k 一 5 0 ) ； S 0= 0 0 0 2+ 0 5 ( k一 5 0 )1 0一 ； S 。 ：O 0 0 3 3一( k 一5 0 )X1 0 式中： 混凝土轴心抗压强度设计值 ； S o 混凝土压应力达到 时 的混凝土压应变 ； 占 正截面的混凝土极限压应变； 昆 凝土立方体抗压强度标准值 ； n 系数 ， 当计算的n值大于 2 0时， 取值为2 0 。 1 1 2 钢材本构关系 型钢的本构模型采用理想 的弹塑性本构模型 ， 并考虑 其屈服硬化 。 f E 。s I 厂 v 占 占 s 1 + ， ( 一 ) ： 。 ( 2 ) 【 式 中： E 钢骨弹性模量 ； ， v 钢骨的屈服应力 ； 一 型钢强化极 限应力 ； s Y= f y E ； h：l 0 h ； 蛐=1 0 0 h 。 1 2 基本假 定 由于无黏结预应力型钢混凝 土构件具有一 定 的复 杂 性 ， 为方便计算和分析 ， 笔者在对其进行非线性分 析时， 做 出了以下计算假定 ： ( 1 ) 构件截面满足变形协调假定 ； ( 2 ) 无黏结预应力筋和非预应力钢筋的应力等于应变 与弹性模量的乘积 ； ( 3 ) 混凝土受压区沿截面高度划分成应力均匀分布面 积相等的单元 ； ( 4 ) 忽 略混凝土与型钢之 间的黏结滑移 ； ( 5 ) 不考虑混凝土的抗拉强度。 为了对无黏结预应力型钢混凝 土偏心受 压构件进行 非线性分析 ， 将型钢腹板和混凝土 的截面划分为应力是 均 匀分布的单元 ， 无黏结预应力筋 、 非预应力钢筋 、 型钢翼缘 按独立单元处理即不划分单元 。 无黏结 预应 力 型钢 混凝 土偏 心 受 压 构件 截 面 的应 力 一应变关系 ， 见 图 1 。 s c Xc i PO 一 I 目 1 日 J N 形心轴 中和轴 图 1 截面应力 一 应变分布图 根据基本假定 的( 1 ) 平截面假定可 以得到曲率和应变 的关系为 截面上任 意条带的应变为 i= e+Z i 0 i 式中： s 。 构件截面受压边缘混凝土的应变 ； 8 受拉非预应力钢筋 的应 变 ； ( 3 ) ( 4) 偏心受压构件的有效高度 ； s 。 一截面形 心的应变。 根据混凝土 、 型钢 、 无 黏结预应力筋及 非预应力 钢筋 的应力 一 应变关系 ， 可以得到截 面上任意条带 的混凝土应 力 ( 。 ) 、 型钢腹板应力 ( O r- ) 、 型钢翼缘应力 ( ) 、 无黏结 预应力筋应力( 。 ) 及非预应力钢筋的应力( O r ) 。 根据构件本身受力平衡条件 ， 得到基本迭代方程 ： A 。 j +A A 。i i + A f r ， f + A p p + A =N1 ( 5 ) A 。 i 。 i 十 A i c 。i + A sf o f 。f + A p p p + A =Ne 0 ( 6) 式 中： m， ， z 分别为混凝土和型钢腹板的条带单元的数量 ； x X 。 ， X r 分别为混凝 土和型钢 腹板任意 条带单元高度中心、 型钢受拉翼 缘 、 无黏结预应力筋及受拉非预 应力钢筋距截面形心轴的距离 ； 为截面形心轴处的轴力 。 通过逐级加变形 “ ， 求得 相应 曲率 ， 调整截 面形 心处应变 。 ， 逐级求取内力 、 ， 输 出计算结果 ， 可 以绘 出相应 的荷 载 一 变形 曲线。 2 计算及 分析 2 1 基本参数 无黏结预应力型钢混凝土偏心受压构件基本参数见表 1 。 表 1 构件基本参数 截面尺寸 2 0 0 n l r n 1 8 0 1 1 13 11 构件高度 偏 心 距 型钢及屈服强度 四周纵筋及屈服强度 箍筋 混凝土强度等级 3 O o o mm 1 2 0 m m 普通热轧 Q 3 4 5 工字钢 I 1 0 31 0 N mm 4由1 0 21 0 N m m D 6 1 5 0 21 0 N m m C4 0 无黏结预应力钢筋 布置在远离偏心压力一 侧距截面 边缘 3 0 m m处 ， 无黏结预应力钢筋采用 = 1 8 6 0 N m m 的 7 p 5钢绞线 ， 预张拉力为 T=1 6 0 k N。 钢骨翼 缘合理作 用点距试件边缘的距离分别 为 a = 5 0 1T l l n ， a = 5 0 i n i n 。 非 预应力钢筋合力作用点距试 件边缘的距离 n = 2 5 i n lY l 。 混凝土弹性模量 E = 3 1 5 1 0 N m m ， 预应力钢筋弹性模量 E =1 9 5 X 1 0 N m m ， 钢骨弹性模 量 E = 2 0 6 1 0 N m m 。 截面配筋形式 ， 见 图 2 。 2 2 计算结果 主要分析参数 ： 偏 心距 、 长细 比、 混凝 土强度等级 ， 含 钢率 ， 通过程序得到了主要参数变化下 的荷载变形关 系曲 线如下 ： 2 2 1 偏心距的影 响 通过对图3曲线的分析， 在同一级荷载作用下( N= 3 9 1 5 0 k N) ， 偏心距 ( e 。 = 1 2 0 mm) 的试件的极限承载力 比偏 心距 ( e 1 5 0 i n i r 1 ) 试 件 约 高 1 5 6 ， 比偏 心 距 ( e o= 1 8 0 r l u n ) 试件高 出 3 6 8 。 从 上述结果可 以看 出 ， 随着偏 心距的增大构件的承载能力减小。 与试验结果相对比后发 现两结果 吻合较好 。 图2截面配筋图( 单位 ： mm) i ram 图3 偏心距的影响 2 2 2 长细比的影响 通过对图 4曲线 的分析 ， 可 以得 出结论 ： 随着长细 比 的增大 ， 试件的极 限承载力减小 ， 曲线在 弹性 阶段 的范 围 有所减小 ， 刚度逐步丧失 ； 当试件具有较大长细 比时 ， 柱 的 变形会随着荷载 的增加增长较快 ， 产 生失 稳现象 ， 导致试 件 的承载力丧失较快 。 mm 图4长细比的影响 2 2 3 混凝土强度等级的影响 通过对 图 5曲线 的分析， 可以得出结论 ： 不 同混凝土强 度等级的构件初始刚度大致相同， 但高等级混凝土试件 的极 限承载力较低等级混凝土试件的极限承载力有所提高。 2 2 4 含钢率的影响 通过对图 6曲线 的分析 ， 可 以发现在同一级荷载作用 下 ( N= 2 5 0 k N) ， ( P= 5 4 ) 的试件的变形 比 ( P= 4 2 ) 的试件减 小 了 2 1 ， ( P=4 2 )的试 件 的变 形 比 ( P= 3 6 ) 的试件约减小 了 2 5 。 从上述 结果可 以看 出， 构件 的延性会 随含钢率 的增加得 到有 效 的改善 ； 同时 ， 含钢率 4 0 的增加也会相应 的提高构件 的承载能力。 350 30O z 250 2 0 0 1 50 1 0 0 0 2 O 4 0 6 0 f mm 图 5 混凝土强度等级的影响 0 1 O 2 O 3 0 4 0 5 0 f mm 图 6含 钢率 的影 响 3 结论 本研究采用无黏结预应力 型钢混凝土偏心受 压柱非 线性分析程序 ， 通过计算 与分析 ， 得 出了各项指标 对偏心 受压型钢柱承载力 的影响 。 最终得 出结论 ： 混凝土强度等 级和含钢率是影 响无黏结预应力型钢混凝 土偏 心受压柱 承载能力 的主要 因素 ， 提高混凝土强度等级及增高构件 的 含钢率均可 以有效 的提高构件的承载能力 ； 偏心距 和长细 比也是影 响构件受力性能 的因素 ， 构件 的承载力随着偏心 距 、 长细 比的增加而降低 。 参考文献 ： 1 王连广 预应力钢与混凝土组合结构 M 北京： 科学 出版社， 2 0 09 E 2 蒋东红 ， 王连广， 刘之洋 高强钢骨混凝土框架柱的抗震性能 J 东北大学学报， 2 0 0 2 ， 2 3 ( 1 ) ： 6 7 7 0 3 Y A N X i a o S e i s mi c p e rf o r m a n c e o f h i g hs e n g t h c o n c r e t e c o l u m n s J J o u rna l o f s t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g ， 1 9 9 8 ， 1 1 1 ( 3 ) ： 2 4 1 2 51 4 张誉 ， 李向民 ， 李辉 ， 等 冈 骨高强混凝土梁柱十字节点抗剪性 能研究 J 建筑结构 ， 1 9 9 9 ， 3 0 ( 7 ) ： 6 9 5 王连厂， 李立新， 王德选 冈 与混凝土组合结构非线，1生分析 M 沈 阳 ： 东北大学出版社 ， 2 0 0 0 6 D U Y F ， L I H， S P E N C E R J R B F E f f e c t o f n o np r o p o r t i o n a l d a m p i n g o n s e i s m i c i s o l a t i o n J J o u r n a l o f s t r u c t u r a l c o n t r o l ， 2 0 0 2 ， 9 ( 3 ) ： 2 0 5 2 3 6 E 7 蒋东红 冈 骨高强混凝土框架柱的受力与抗震性能研究 D 沈阳 ： 东北大学 ， 2 0 0 1 第一作者 ： 吴迪( 1 9 8 2一) ， 男， 硕士， 工程师 ， 主要从事结构设计 工作。 联 系地 址： 中 国建 筑东 北设 计研 究院 有限 公司 第 三设计 所 ( 1 1 0 0 0 6 ) 联 系电话 ： 1 3 8 8 9 2 8 4 5 1 5 O O O 0 O 0 如 加 m Z) I 、 乏