钢筋混凝土圆截面受弯构件正截面承载力计算.pdf

四川建筑科学研究 S i c h u a n Bu i l di n g Sc i e n c e 苇 3 卷第 6期 2 0 0 6年 1 月 钢筋混凝土圆截面受弯构件正截面承载力计算 张鹏 梁，程 华，周 凌(后勤工程学院军事建筑工程系，重庆4 0 0 0 4 1)摘要：圆截面受弯构件是工程结构中常用的一种构件，现行的钢筋混凝土规范只给出了圆截面受弯构件全截面均匀配筋时 的计算方法，而对于非均匀配筋时的计算方法并未给出。本文给出了圆截面受弯构件不均匀配筋时的计算公式，并利用大型 通用有限元软件 A N S Y S进行承载力模拟。结果表明，不均匀配筋比均匀配筋能够提高截面承载力，或者说，不均匀配筋比均 匀 配筋能够节 省钢 材用 量。关键词：钢筋混凝土；受弯构件；正截面承载力；有限元 中图分类号：T U 3 1 2 1 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 81 9 3 3(2 0 0 6)0 6 0 0 2 0 0 4 Ca l c u l a t i o n o f c a r r y i ng c a p a c i t y o f t h e n o r ma l s e c t i o n 0 f a R C fle x u r a l me mbe r wi t h r o u n d s e c t i o n ZHANG P e n g l i a n g，CHENG Hu a，ZHOU Li n g (D e p t o f Mi l i t a r y C i v i l E n g i n e e r i n g，L o g i s t i c a l E n gi n e e ri n g U n i v e r s i t y，C h o n g q i n g 4 0 0 0 4 1，C h i n a)Ab s t r a c t：T h e fl e x u r al me mb e r w i t h r o u n d s e c t i o n i s c o mmo n i n s t r u c t u r a l e n g i n e e rin g T h e f o r mu l a o f t h e c a r r y i n g c a p a c i t y o f t h e n o r mal s e c t i o n o f a fl e x u r a l me mb e r wi t h r o u n d s e c t i o n wh e n t h e s t e e l b a rs a r e we lld i s t rib u t e d i s g i v e n i n C h i n e s e c o d e f o r d e s i g n o f c o n c r e t e s t ruc t u r e s，b u t t h e c o d e d o e s n t gi v e t h e f o r mu l a w h e n t h e s t e e l b a rs a r e n o t w e l l d i s t ri b u t e d T h e n，t h i s f o r m u l a W a S d e r i v e d i n t h i s a r t i cl e，a nd b y t h e u s e o f ANSYS p r o g r a m，t he c a r T yi n g c a p a c i t y o f t he no ml a l s e c t i o n WaS s i mu l a t e dTh e o u t c o me i nd i ca t e d t ha t t h e c a r r y i n g c a p a c i t y i s h i g h e r wh e n t h e b a rs a r e n o t w e l ld i s t ri b u t e d，i t S t o s a y，w h e n t h e s t e e l b a r s a r e n o t we lld i s t ri b u t e d，t h e a mo u n t o f s t e e l i s l o we r Ke y wo r d s：r e i i ff o r c e d c o n c r e t e；fl e x u r al me mb e r；c a r r y i n g c a p a c i t y o f n o l3 1 1 al；fi n i t e e l e me n t 1 问题 的提 出 钢筋混凝土圆截面受弯构件是工程结构中常用 到的一种构件，文献 1 给出了圆截面受 弯构件全 截面均匀配筋时的计算方法，但这种配筋方法在弯 矩较大时不够经济。假如只在圆截面受弯构件受拉 区半 圆内配筋，而在受压区配架立钢筋或受压钢筋，则既能充分利用混凝土的强度又节约了钢筋。文献 1 关于圆截面受弯构件全截面均匀配筋 时的计算公式(式 中各参数的含义 和取值详见文献 1 )如下：0=1 A f 1 一 s i n 2 r a 1+()A (1)收稿 日期：2 0 0 5 1 1 】4 作者简介：张鹏梁(1 9 8 2一)，男，l L J 西朔州人，硕 士研 究生，主要研究 方 向：建筑结构 的检测与鉴定。E ma i l：z p l一1 2 8 1 63 c o m 。，+f,A。，J 兀 I (2)=1 2 52 (3)然而，我们经常遇到计算高层建筑深基坑围护 结构(例如，钻孔桩和挖孔桩)的情况，由于它们主 要承受土压力，所 以需要解决 圆截面受弯构件不均 匀配筋的计算问题，以节约钢筋用量。2 不均匀配筋时的计算公式推导 2 1 基本假设(1)截面应变符合平截面假定；(2)忽略受拉 区混凝土的抗拉强度；(3)混凝 土的应力一应 变曲线 为一 抛物线，极 限压应变 占 =0 0 0 3 3；(4)受压区混凝土的应力图形采用等效矩形应 力图，其强度值 为，受压 区的高度为=X ，Y 维普资讯 维普资讯 2 2 四川建筑科学研究 第 3 2卷 同；钢筋材料的本构关系采用双线型随动硬化模型，屈服段弹性模量取弹性段 的 1。模 型的材料属性 表 1 R=5 0 c m，C 2 5。级钢 Ta bl e 1 R=5 0c m，C2 5，s e c on d c l a s s s t e e l 按前面理论计算的材料属I 生进行设定。假定混凝土 和钢筋粘结 良好无滑移。表 2 R=6 0 c m。C 3 5，级钢 Ta bl e 2 R=6 0c m，C3 0，s e c on d c l a s s s t e e l 表 3 R=7 5 c m，C 2 0，级钢 Ta bl e 3 R：7 5c m，C2 0，s e co nd c l a s s s t e e l 模型的边界条件为一端固定，一端 自由。在模 型的上表面施加均布 面荷载(考虑混凝土和钢筋的 自重)，分多个载荷子步逐级加载进行计算，以期得 到比较精确的解答。有限元计算模型中混凝土单元的网格划分见图 4；钢筋单元的网格划分见图 5。图 4 混凝土单 元的网格划分 Fi g 4 The gd d i v i s i o n o f c onc r e t e e l e men t s 4 2 计算结果及比较 利用 A N S Y S计算结果及 比较情况见表 1 3。图 5 钢筋单元 的网格划分 Fi g 5 The grid di v i s i o n o f s t e el de m e n ts 比较表 1，2，3中的理论计算计算结果和有限元 分析结果，可 以看到有限元分析的结果 和理论计算 结果吻合较好。但 与理论结果相 比，有限元分析得 出的受弯承载力偏 低，主要是 由于在有限元模型 中 假设钢筋与混凝土之间粘结完好，不发生滑移，这与 实际情况存在一定 的偏差所致的，若要精确模拟，可 在钢筋和混凝土之间增设过渡单元。维普资讯 张鹏梁，等：钢筋混凝土圆截面受弯构件正截面承载力计算 5 结 论 参 考 文 献：(1)A N S Y S模拟结果 和理论计算 结果吻 合较 好，说明了本文计算方法的正确性。(2)从表 l、表 2和表 3可见，在截面平均配筋 率相同的情况下，不均匀配筋 比均匀配筋能够提高 截面受弯承载力 1 5 3 5 3 。或者说，在截面受 弯承载力相同时，不均匀配筋 比均匀 配筋能够节省 钢筋用量 1 0 2 6 5 左右。钢筋节省的多少与 P 和 P 的差值，即与配筋的不均匀程度有关。(3)对 于主要承 受一 个方 向水平 力的 圆截面 桩，例如深基坑围护结构的桩，本文的计算方法具有 比较显著的经济效益。1 G B 5 0 0 1 02 0 0 2混凝 土结构设 计规范 S 北 京：中同建筑工、出版社，2 0 0 2 2 土琦，马爱民，胡正平 钢筋 混凝土 圆截 面梁正截 面承载 力 计算 J 应用科技，2 0 0 4，3 1(1)：5 1 5 3 3 陈富坚，等 圆截面抗滑 桩非均 布配筋计算方法 J 桂 林工学 院学报，2 0 0 1，2 1(4)：3 6 6-3 7 0 4 邵永健，等 圆形截面钢筋混凝 土梁承载力 的研究 J 工业建 筑，2 O o o，3 0(1 1)：2 5 2 8 5 郝文化 A N S Y S土木工程应用 实例 M 北京：中国水利水 电 出版社，2 0 0 5 6 李黎 明 A N S YS有限元分析 实用教 程 M 北京：清华 大学出 版社，2 0 0 5 (上接 第 1 1页)3 结 论(1)有限元计算结果与现场静载试验结果吻合 较好，说明本文建立的无粘结预应力混凝土箱型梁 的有限元计算模型合理，可 以对其承载力进行较为 准确的模拟计算。(2)工程 1 模型的计算结果和梁 的现场静载试 验结果 比较吻合，且在设计荷载下，梁处于弹性工作 状态，说明裂缝 的出现不影响梁的承载力，梁可在设 计荷载下安全使用。(3)工程 2计算 得到 的梁 的开 裂荷 载 为 1 1 5 k N m，极限荷载为 2 3 0 k N m，预应力筋的极限应力 增量为 1 8 0 MP a，可用于立交桥承载力的评估。(4)本文利用有限元分析和现场静载试验相结 合的方法，对实际工程中存在 的无粘结预应力混凝 土箱型梁 的承载力做 出较为合理 的评价，可供 同类 结构的分析参考使用。参 考 文 献：1 GB 5 0 0 1 02 0 0 2混凝土结构 设计规范 s 北 京：中国建筑工 业 出版社，2 0 0 2 2 郝文化 A N S Y S土木工程应用实例 M 北 京：中国水利水 电 出版社，2 0 0 5 3 江见鲸，陆新征，叶列 平 混凝土结 构有 限元分析 M 北 京：清华大学 出版社，2 0 0 5 4 Z h o u S，R i z o s D C，P e t r o u M F E ff e c t s o f s u p e r s t r u c t u r e fl e x i-b i l i t y o n s t r e n g t h o f rei n f o r c e d c o n c ret e b ri d g e d eck s J C o mp u t-e rs a n d S t r u c tures，2 0 0 4，8 2(1)：1 32 3 5 陆新征，江见鲸 用 A N S Y S S o l id 6 5单元分析混凝 土组合 构件 复杂应力 J ，建筑结构，2 0 0 3，3 3(6)：2 2 2 4 6 S ant h a k u m a r R，C h a n d r a s e k a r a n E，D h anamj R A n a l y s i s o f relx o-fit t ed r e i nfo r c ed c o n c r e t e s h e a r b e a ms u s i n g e a l b o n fi b e r c o mp o s-it e s J E l ectx o n i e J o u rna l o f S t ruc t u r a l E n g i n e e ri n g，2 0 0 4，(4)：6 6 7 4 维普资讯