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鋼筋混凝土結構的有效剛度建模

發布日期:2019-01-06|變形縫生產廠家小編
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  抗震建筑設計通常是以傳統線性分析技術的結果為基礎的。變形縫怎么處理這類分析對鋼筋混凝土的設計提出了挑戰,因為材料是復合材料,其構件-鋼筋和混凝土基體之間的復雜相互作用決定了材料的非線性行為。簡化鋼筋混凝土構件的性能,使其能夠用線彈性分析方法進行建模,對我們有效設計鋼筋混凝土結構至關重要。

  采用線性分析方法對混凝土結構單元進行建模,提取合理的結構響應,通常需要修改混凝土結構單元的剛度。然而,這種方法帶來了挑戰,包括以下方面:

  有效剛度是構件施加載荷和細節的函數。鋼筋混凝土構件在不同的加載條件下(如拉力、壓縮、彎曲)以及不同的加載速率(沖擊、短期、長期)表現不同。

  由于結構分析模型中鋼筋混凝土單元的假定剛度影響結構的動力特性,因此采用剛度修正可以是一個迭代過程,從而改變了分析結果和有效剛度。

  進度要求壓力工程師進一步簡化設計過程,導致每個單元類型只適用于多個分析單元的剛度修改器。由于若干原因,這可能是非常不準確的,包括:

  分析模型對單個單元的剛度非常敏感(例如,由于高層建筑中的鋼筋混凝土隔板或剛性平臺結構引起的后拉效應)。

  由于加載和位置不同,某些類型的元件可能具有不同的剛度。例如,與屋頂相比,高層建筑中的多層柱在基礎上具有更高的剛度。

  該設計可能需要考慮多個地震動返回周期,例如服務級地震和最大考慮事件(MCE)地震,每個地震都具有獨特的剛度特性。

  變形縫怎么處理本文通過總結國內外出版物推薦的各種建筑構件的剛度修改器來幫助結構工程師。提供了對代碼、標準和研究文章的文獻回顧,并簡要總結了每一份文件中的主要假設。為便于比較,表中總結了彎曲剛度和剪切剛度的有效剛度參數。

  

變形縫怎么處理

 

  混凝土結構模型的剛度假設表。

  國內編碼

  下文概述了在美國國內出版的、通常為美國結構工程師使用的各種文件。請注意,每個文檔中提供的建議與特定的返回期或危險事件或特定的應用負載級別相關。有些建議與加載無關。

  ACI 318,建筑規范對結構混凝土的要求

  2012年參考的ACI 318-11國際建筑規范(IBC)。第8.8.1至8.8.3節提供了有效剛度值的準則,用于確定側向荷載下的撓度。一般情況下,任何單元都可以使用基于粗截面特性的50%的剛度,或者根據第10.10.4.1節計算剛度。ACI 318-14包含類似的建議,在第6.6.3節中對剛度修改器進行了修改。

  第10.10.4節,彈性二階分析,提供了一個獨立于荷載水平的有效剛度值表和根據載荷和構件特性推導剛度的方程。評注R10.10.4.1節解釋說,這些建議以一系列框架試驗和分析為基礎,并考慮到計算撓度的變異性(MacGregor和Hage,1977年)。

  ASCE/SEI 41-13,現有建筑物的抗震評估和改造

  ASCE 41-13表10-5提供了用于線性程序的有效剛度值.第10.3.1.2.1節指出,可以使用這些方法來代替計算構件屈服點的割線值,該值獨立于對構件施加的力水平。

  ASCE 41區分軸向載荷大于或小于0.1*Ag*f‘的柱c并參考Elwood和Eberhard(2009)進一步指導鋼筋混凝土柱有效剛度的計算。

  ASCE 41的未來版本將使用ACI 369作為混凝土建筑物的原始文件。下一次修訂,ACI 369-17,預計將與ASCE 41-17出版,并將包括改進的剛度規定的基礎上,目前的研究。

  同齡人高樓倡議

  高層建筑基于性能的抗震設計指南又稱“高層建筑倡議”(TBI),是一份協商一致的文件,為160英尺以上的建筑物抗震設計提供了一種建議的替代方案。雖然規范性要求建議采用雙重制度,但TBI中的替代程序允許使用只有剪力墻的結構。

  雖然大部分同行TBI文件側重于大地震的非線性分析,但本文件的規定也給出了一組關于在服務級地震作用下線性彈性模型中使用的有效構件剛度值的建議(最小返回期為43年,或30年內超過50%的概率)。本文件的規定僅適用于基本振動周期較長且在較高振型下具有顯著質量參與和橫向響應的相對細長結構。

  洛杉磯高層建筑結構設計委員會(LATBSDC)手冊

  第2.5節要求結構模型考慮到預期的激勵和破壞水平,納入對剛度和強度的實際估計??梢允褂迷撐募?中給出的有效鋼筋混凝土剛度特性來代替詳細分析。此表為MCE級地震事件非線性模型提供了單獨的數值,而不是適用性、地震事件和風荷載。一個適用性地震事件定義為30年內超過50%的概率,MCE級事件相當于ASCE 7-10年的mCER,50年內超過的概率為2%。評注C.3.2.4節還指出,剛度特性可以從試驗數據或Moehle等人得出。(2008年)。

  國際守則和其他參考資料

  以下是在美國境外發表的各種文件的摘要。請注意,每個文檔中提供的建議與特定的返回期或危險事件或特定的應用負載級別相關,有些建議與裝載無關。

  新西蘭標準

  NZS 3101:第2部分(2006版)指出,混凝土構件的有效剛度受鋼筋的數量和分布、混凝土的開裂程度、混凝土的抗拉強度以及構件施加結構作用前的初始條件等因素的影響。

  為了簡化處理這些因素所需的復雜分析,標準列表建議不同成員的有效剛度,類似于美國的法規。然而,NZS 3101中使用的裝載水平與美國的編碼不同。典型結構(重要程度2級)的極限狀態地震是基于50年超過10%的概率計算的,該結構的設計壽命為50年。重要水平為4級的結構的極限狀態地震是以50年內超過2%的概率為基礎的。對于具有50年設計壽命的結構,所有結構的使用極限狀態地震都是基于每年超過25的概率等于1/25。

  加拿大標準協會混凝土結構設計

  CSA23.4-14在10.14.1.2節中提供了建議的剛度修改系數。在彈性分析的基礎上,提供了這些因素來確定一階橫向層的撓度.加拿大的標準是以50年內超過2%的概率的地震為基礎的。

  歐洲碼

  根據歐洲規范8(EN1988-3),變形縫怎么處理鋼筋混凝土單元中雙線性力-變形關系的彈性剛度應與開裂截面的彈性剛度和鋼筋屈服的起始值相對應。除非對開裂單元進行更準確的分析,否則本標準建議將混凝土單元的彈性、彎曲和剪切剛度特性作為未開裂單元相應剛度的50%。

  歐洲規范8的第3部分提供了一個基于彎矩-剪切比和屈服旋轉的方程,可以用來確定更精確的有效剛度。在歐洲規范8中,對于線性和非線性分析來說,極限水平和可使用水平都是考慮的。

  土耳其標準

  土耳其TS 500-2000指的是土耳其地震法典(2007),其中規定,在進行某些類型的分析時,應將未損壞的屬性用于部件。然而,在進行這些類型的分析時,裂紋截面特性的剛度修正器可用于梁在自己的平面上成墻,以及耦合結構墻的梁。在分析現有結構時,必須使用開裂截面特性。裂紋截面特性也可用于進行高級分析。

  Paulay和Priestley(1992),鋼筋混凝土和砌體建筑的抗震設計

  Paulay和Priestley為裂縫混凝土框架構件和剪力墻的剛度修正提供了建議。在討論框架構件剛度修飾語時,強調了剛度修飾詞的使用中固有的近似性。

  關于框架剛度的建議見表4.1(Pauley和Priestley)。指出柱剛度應是軸向荷載的函數,永久重力荷載為靜載的1.1倍,加上地震傾覆效應引起的軸向荷載。在分析混凝土墻體結構時,建議采用構件特異性方程來確定其有效剛度。

  普里斯特利,卡爾維和科瓦爾斯基(2007),基于位移的抗震設計

  Priestley、Calvi和Koalsky認為,構件的剛度與其強度有關,屈服曲率與強度無關。由于強度-剛度關系,他們建議進行基于力的分析的工程師應該始終把剛度修飾符的分配看作一個迭代過程。

  該標準提供了基于不同構件強度的鋼筋混凝土構件剛度修正范圍,所有這些都對應于基于位移的抗震設計。然而,作者認為,只要采用迭代過程,這些建議就可以用于基于力的抗震設計。

  結語

  如上表(第19頁)所示,不同的標準和規范為修改鋼筋混凝土構件的剛度提供了不同的準則。在進行結構分析時,審查多個規范和標準以確定單元的有效剛度是有用的。從多個來源獲得的信息可能會為設計者目前正在評估的特定結構提供一種更準確的分析方法。由于鋼筋混凝土構件的有效剛度對結構分析結果有很大的影響,變形縫怎么處理設計人員應了解適當的修改因素,并在某些情況下使用上限和下限剛度修正因子進行多次分析。

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