钢筋混凝土核心筒非线性分析.pdf

李坤等 ： 钢筋混凝土核心简非线性分析 3 3 钢筋 混凝土核心 简非线 性分 析 李坤 ， 史庆轩 ( 西安 建筑科技 大学土木工程学院 。 西安7 1 0 0 5 5 ) 【 摘要】 采用三竖线模型模拟墙肢， 单轴弹簧模型模拟连梁 ， 讨论 了模型中各弹簧的滞回特性， 对钢筋混 凝土核心筒进行非线性分析， 并对影响钢筋混凝土核心筒受力性能的相关因素进行分析。通过数值分析， 证明了 模 型的有效性 。 【 关键词】 钢筋混凝土核心简； 非线性分析； 三竖线模型 【 中图分类号】 T U 3 7 5 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 0 ) 1 0 0 0 3 3 0 3 NoNLI NEAR ANALYS I S oF RE I NFoRCED CoNCRETE CoRE W ALLS L I K u n， S H I Q i n g x u a n ( C o U e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g， X i a n U n i v e r s i t y o f A r c h i t e c t u r e a n d T e c h n o l o g y， X i a n 7 1 0 0 5 5 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Th r e e -v e r t i c a l - l i n e - e l e me n t mo d e l an d u ni a x i al s p rin g mo d e l we r e a d o pt e d t o s i mul a t e wa l l s a n d b e a ms a n d a n a l y s i s r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o r e wa Hs，h y s t e r e t i c r u l e s a n d r e l a t i v e p a r a me t e r s o f t h e mo d e l s a r e a l s o d i s c u s s e d T h e a n aly s i s a l s o c o n s i d e r e d the i n fl u e n c e o f r e l e v a n t p a r a me t e r s o n the e l a s t i c i t y a n d p l a s t i c i ty i n c o r e w a U s s t r u c t u r e T h r o u g h the n u me ri c a l c a l c u l a ti o n s ， the a n a l y s i s mod e l p r o v e s t o b e e ff e c ti v e wi th the a c c o r d a n c e be t we e n r e s u l t s o f c o mp ut a t i o n a n d e x p e rime n t Ke y wor d s： r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o r e wa l l s ；n o n l i n e a r a na l y s i s s；thr e e v e rti c a l l i n e e l e me n t mod e l 钢筋混凝土核心筒结构由于其侧向刚度大， 具有 较好的抗震性能 ， 现 已成为高层建筑中广泛应用的一 种结构体系 ， 对其非线性分析具有重要的研究意义。 本文采用三 竖线 模 型对 钢筋 混 凝 土核 心筒 进行 非 线 性分析 ， 在此基础上分析了轴压比对钢筋混凝土核心 筒 的影 响。 1 核心 筒非线 性模 型及滞回特性 钢筋混凝土核心筒是结构的主要抗侧力构件， 承 担大部分的水平剪力及倾覆弯矩。其受力特点与剪力 墙相似， 所以我们可以从现有剪力墙非线性分析模型 基金项目】 国家 自然科学基金项目( 5 0 7 7 8 1 4 9 ) 陕西 自 然科学基础研究项目( s J o 8 E 2 0 2 ) 4 5 2 6 k N。网架加载全过 程预应力 杆 内力 变化 情况 见 表 3 ， 这样在第二级 加载 q ： = 0 5 k N m 后 可达 到设计 预应力值 N = 9 0 0 0 。 5结语 采用 多张法对预应 力 网架 进行 施工 ， 即对 结构 重 复进行加载 一 张拉 一再加载 一再 张拉 ， 充 分 的利 用 了 钢材的弹性范 围内的强度 幅值 ， 使得 结构 的承 载力 提 高 ， 经济效果明显 。由于施工过程 中会产生初 始内力 ， 各次张拉控制应力的确定和控制麻烦， 采用本文的方 法 ， 可以正确无误 的按 各个预应 力杆 的各 次预应 力 的 控制应 力完成全部预应力的施加操作工作 。避 免了预 应力构件安装时预应力 的多次调整 ， 施工操作简单方 便 ， 节约人力物力， 满足工程设计和使用要求。 参考文献 1 鲍 广鲑 钢结 构施 工技术及 实例 M 北京 ： 中国建筑工业 出 版社 ， 2 0 0 5 2 沈祖炎， 等 钢结构学 M 北京： 中国建筑工业出版社， 2 0 0 5 3 罗晓群 大型钢结构施工力学分析研究 D 上海 ： 同济大学 ， 2 0 0 3 4 陆赐麟， 等 现代预应力钢结构 M 北京： 人民交通出版社， 2 0 0 3 5 董石麟 ， 袁行飞 初内力法用于预应力 网架结构 张拉 全过程分 析 C 空间结构会议论文集 收稿 日期 】 2 0 1 0一 o 70 6 作者简介 】 刘俊玲 ( 1 9 7 1 一) ， 女 ， 哈尔滨人 ， 硕士， 副教授 ， 研 究方 向：建筑施工技 术。 低温建筑技术 2 0 1 0年第 1 0 期( 总第 1 4 8 期) 中选取钢筋混凝 土核心筒的非线性分析模型。现有比 较常用 的剪力 墙宏观模型主要有 ： 等效梁模型 、 三竖线 模型 、 多竖线单元模 型 等。本文选 取三竖线 模型 作为钢筋混凝土核心筒的非线性分析模型。 三竖线模型通过轴向弹簧、 剪切弹簧及转动弹簧 的变形来表 达墙 体 的变形 。本文 以江 近仁 提 出 的 轴 向刚度滞 变模型作为墙元的轴 向弹簧滞变模 型。以 孙景江 【 4 等建议 常用 的退化 三线 型的恢 复力 特 性来 描述墙元的弯曲弹簧滞变模型。以能够反映二折线的 骨架曲线、 刚度退化、 捏缩效应等特征的修正的 T a k e d a 模型描述剪切滞变性态， 各控制因素见文献 。 2 试验模型简介及 三维模型建立 2 1 钢筋混凝土核心筒试验模型介绍 本文 中钢筋混凝土双肢剪力墙 来 自于文献 ， 该 模型6层， 与原型构件截面的缩尺比例为 1 ： 6 。 5 。简 体水平截面轮廓尺寸为 1 3 8 0 m m1 3 8 0 m m， 整个墙体 厚为 7 0 m m 高为3 6 9 0 m m， 试件高宽比为 2 6 8 。每层 各面墙体均有洞口， 洞口尺寸和位置相同。试件的混 凝土强度等级按 C 2 0设计 ， 筒体纵、 横向均采用 的 钢筋， 连梁箍筋用 ， 角部及洞口部位进行了加强。 筒体试件的主要尺寸见图 1 ， 配筋构造见图 2 。 图1核心筒结构， m m 竖 向加载位置在试件顶梁上 表面 ， 一 次性加载 到 6 0 0 k N 。轴压 比为 0 1 5 。在水 平方 向 ， 顶层 和第 3层 处按倒三角形模式施加水平低周反复荷载 。加载过程 采用力和位移控制 ， 每级增量相同 ， 当所加荷载低于最 大荷载的 8 5 时 ， 停止加载 。 2 2 三维模型在 C A N N Y程序中的实现 枷 2 0 0 的 I 2 0 4 o 6 I 位移 mx 一4 0 o 墙厚7 0 m m 6 1 o o 黝盘皿3 = = f 图2 墙体结构配筋 m m 非线性分析程序 C A N N Y是以多弹簧模型为基础 的， 在程序中取 2 D柱形墙单元模型， 在上下两侧加刚 性梁， 中央单元忽略顶部转动弹簧的作用， 与两侧轴向 弹簧形成三竖线模型， 用来模拟墙元。墙肢的转动惯 性矩按 照“ T ” 型截面予以加强。连梁模 型采用两端 带 刚域的单轴弹簧模型 。 程序分三步建模 ： 建立模型， 输入节点重力荷 载， 选取相应的各单元滞回特性； 在顶层施加竖向集 中荷载， 由于有加载梁， 将竖向集中荷载作为面荷载加 在结构顶层； 在 l ， 方向施加低周反复水平荷载。 I F 图3 钢筋混凝土核心筒模型 3 数值模拟分析 3 1 基底剪力 一 顶点位移滞回曲线 对钢筋混凝 土核 心筒进行非 线性分析 ， 得到基 底 剪力 一顶点位移滞 回曲线如 图 4 。试件 的骨架 曲线 如 图5 。图 4中( a ) 为文献 5 中试验所得滞回曲线， ( b ) 为本文计 算所 得滞 回曲线。 由图 中可以看 出， 结 构弹性阶段的滞回环面积较小， 加载曲线与卸载瞌线 基本重合， 近似于直线段； 荷载继续增加， 墙体刚度出 妄 4 o o 篓 2 0 0 捕 。 0 4 o 6 l 顶点位移， 加 0 o 【 a ) 试验值 ( b ) 计算值 图4 基底剪力一 顶点位移滞回曲线 罩 4 0 O 厂 餐 200 硝 - 4 o一 2 0 )2 O 4 o 6 I 2 白 顶点 位移 m 一 l 一计算 值I 一4 0 o 卜 试验 值I 图5 基底剪力一 顶点位移骨架曲线 李坤等 ： 钢筋混凝 土核心简非线性分析 现退化 ， 曲率逐渐减小 ， 曲线 近 似于 弓形 ； 进入 弹塑性 阶段 时 ， 滞 回环 面积 不 断增 大 ， 曲线斜 率 下降 速度 加 快， 并且由于裂缝不断循环地发展和闭合， 滞回曲线出 现反弯点， 曲线形状由弓形过渡到反 s型， 表现出捏缩 现象。从 骨架 曲线 可 以看 出 ， 加 载初 期 曲率 变 化 小。 荷载继 续增加 ， 承载力 也随 之增 大 ， 出现 明显 的拐 点 ， 开裂前接近直线段 ， 开 裂后 刚度 下降 ， 进 入屈 服 阶段 ， 在加载后期 由于程序计 算负 刚度 的能力 不足 ， 无 法得 到试验值 中的下降段 。 3 2轴压 比的影 响 文献 5 试验研究表明， 轴压比对钢筋混凝土核 心筒非 线性性 能有很 大影 响 ， 本文 在上述 数值 分析基 础上 ， 采用轴压 比分别 为 0 3 0 、 0 4 5 、 0 6 0的模 型进行 低周反复荷载作用下 的对 比分 析 ， 通 过计算 ， 得到不同 轴压比下的顶点位移 一 底部剪力滞回曲线( 如图 6 ) 。 杂4 o o 噗2 0 o 醐 - 4o 顶点位移I m r r 一4 0 o E 亘 4 o o 目 R 世 2 0 0 椭 _ 。 加6 0 顶点位移 m m I 一轴压比0 4 5 妄4 o o 羹2 0 0 郴 4 o 6 0 顶点位移 ra m I 二 匿 Q ： 图6 不同轴压比下 的底部剪力一 顶点位移 曲线 由上图可看 出， 承 载力方 面 ， 在 低轴 力状态 时 ， 开 裂荷载、 最大荷载、 极限荷载都随轴压比增大而提高。 当轴压 比超过 0 6时 ， 最 大荷 载及极 限荷 载反 而有所 减小， 开裂荷载影响不明显。其原因： 加大轴向压力使 模型截面上压应力增 大 ， 抵 消截 面上 由于弯矩 产生 的 拉应力 的能力增强 ， 混凝 土开裂速度减慢 ， 提高 了墙体 承载能力 。在高轴压 比下 ， 由于受 到 p一 效应 ， 使得 核心筒受压墙体破坏加快 ， 降低 了筒体整体 承载力 。 在刚度方面， 高轴压简体与低轴压筒体相比， 初始 弹性 刚度 、 开裂 刚 度 以及 屈服 刚度 都有 相应 的 提高 。 分析原因， 轴向压力下核心筒的变形能力受到约束 ， 裂 缝开裂及发展受 到限制 ， 从而 提高 了筒体 刚度 。在延 性及 耗能能力方面 ， 由底 部剪力 一顶 点位移滞 回曲线 可以看出 ， 随着轴压 比的增 大 ， 滞 回环 面积 随之减 小 ， 说明耗能能力随之降低， 而且极限位移也随之降低， 说 明简体变形能力和延性随着竖向轴力的增加而下降。 4结语 ( 1 ) 采用三竖线模型模拟墙肢 ， 单轴弹簧模型 模 拟连梁 ， 并选取弹簧 的滞变模型 ， 对钢筋混凝土核心 筒进行非线性分析 ， 与试验结果相对 比， 验证 了所选模 型的有效性。计算结果与试验结果对比表明计算值在 上升阶段与试验比较刚度偏小， 但偏差不大， 屈服荷载 与试验值接近。在加载后期由于程序计算负刚度的能 力不足 ， 无法得到下降段。 ( 2 ) 经过数值模拟， 比较了不同轴压 比对钢筋 混凝土核心筒承载力、 延性等因素的影响。结果表明： 轴压比较小时 ， 加大轴压比可提高结构承载能力， 高轴 压比反而使结构承载能力有所下降。 参考文献 1 k a b e y a s a w a T ， e t c U S 一 J a p a n c o o p e r a t i v e r e s e a r c h o n R C f u l ls c a l e b u il d i n g t e a t P a r t 5： Di s c u s s i o n o f Dy na mi e Re s p o n s e S y s t e m C P r o e 8 WC E E ， 6 2 7 6 3 4 2 V o l c a n o A，B e e r o V V，C o l o t t i V A n a l y t i c a l m o d e l o f R C S t r u c tur a l Wa l l s C P r o c o f 9 WC E E， T o k y o ， K y o t o ： 1 9 8 8 ， 6： 4 14 6 3 江近仁 ， 孙景 江， 丁世文 ， 陈惠 民 轴向循环荷载下钢筋混 凝土 柱 的试验研究 J 世界地震工程 ， 1 9 9 8 ， 1 4 ( 4 ) 4 孙景江 ， 江近仁 框架一剪力墙结 构的非线性 随机地震反应 和 可靠性分析 J 地震工程与工程振动， 1 9 9 2 ， 1 2 ( 2 ) 5 贾鹏 ， 杜修 力 ， 赵均 不 同轴压 比钢筋混凝 土核心筒抗震性 能 J 北京工业大学学报 ， 2 O O 9 ， 3 5 ( I ) 收稿日期】 2 0 1 0 - 0 5一 l O 作者简介】 李坤( 1 9 8 3一 ) ， 男， 山东滨州人， 工学硕士研究 生 ， 从事土木工程专业。 ，川l l I l _ l l I l I 川 I I l l I I 】 1 l l _ j I l l 川1 1 l 1 _ 川1 川I 川l 、 三 兰 欢迎订阅 低温建筑技术 三 兰 三 ； 川 l l1 I_li I】lI【 l 川 I l I I l 川 I 1 l l I 1 川 川 I 川 I 川 一