【文章內容簡介】 說明書全面準確地理解程序中采用的分析方法基本假設近似性和適用條件等檢查是否適合設計對象在運算時應嚴格按照程序的要求輸入數(shù)據和獲取計算結果完成運算后應采取有效方法對每一份電算結果進行必要的判斷和校核確認其合理可靠后方可用于工程設計 Ⅲ結構分析的方法分類 What 混凝土結構的設計除了應遵循本規(guī)范外還有一些相關的設計規(guī)范或規(guī)程對于特定的結構類型或受力條件給出了結構分析的詳細要求和規(guī)定可予參照執(zhí)行 鋼筋混凝土結構是由兩種性質迥 異的材料組合而成其中鋼材 筋 的性質接近理想彈塑性而混凝土的拉壓強度相差懸殊應力 應變關系為非線性變化超過強度峰值點后還有應力下降段因此任何一個設計合理的鋼筋混凝土結構在荷載作用下必經歷一復雜的受力破壞過程開始時出現(xiàn)短暫的彈性階段隨后進入混凝土受拉開裂和出現(xiàn)少量塑性變形的使用階段至鋼筋屈服后結構局部形成塑性餃發(fā)生塑性內力重分布階段最終達到結構的承載能力極限狀態(tài)其后還有變形繼續(xù)增大但承載力逐漸下降的階段可見混凝土結構的內力和變形是一個不斷變化的非線性過程其變化幅度主要取決于結構體系的類型和布置各部分的配筋數(shù)量和構造以及材料的力學性能等因素而有很大差別 結構分析方法可基于混凝土結構的不同受力階段有的方法可用于一切受力階段多數(shù)方法則只適用于個別階段工程中現(xiàn)用的結構分析方法按其力學原理和其針對的受力階段可分為五類各類方法的特點適用條件和應用范圍扼要說明如下 1 線彈性分析方法 這類方法假設混凝土結構的材料和構件均為勻質的線彈性體故二三維結構分析中所需的剛度矩陣或柔度矩陣彈性模量 E 和泊松比ν或桿系結構分析中所需的桿件截面剛度 EI 均取為常值不隨荷載或材料應力值而變化因而在確定的荷載 作用 狀況下結構分析有唯一解其 內 應 力和變形均隨荷載值按比例增減 線彈性分析法是最基本和最成熟的結構分析方法也是其他類分析方法的基礎和特例線彈性分析法可應用于一切形式的二三維結構和桿系結構體系一些體形和受力復雜的特殊結構當沒有簡捷可靠的專門分析方法時也常采用至今國內外已建成的混凝土結構中大部分都按此類方法進行分析并設計 線彈性分析法當然是以結構的彈性階段的受力特點為依據建立的但也可應用于對混凝土結構其他各受力階段的分析超靜定結構的試驗表明在受拉鋼筋屈服所在截面及其附近區(qū)段形成塑性餃之前由于混凝土受拉開裂和受壓塑性變形等原因使構件 截面 剛度減小各部分相對剛度發(fā)生變化而引起的結構內力重分布的幅度不大實際內力分布與線彈性法計算值的差別約在工程的允許范圍以內因而在驗算混凝土結構的正常使用極限狀態(tài)時仍可采用線彈性分析的結果 按承載能力極限狀態(tài)設計超靜定結構時采用線彈性分析所得的構件 截面 內力以及按此內力用規(guī)范的截面極限狀態(tài)法計算配筋邏輯上似有矛盾但是從理論上分析試驗也有驗證雖然混凝土結構在使用階段和塑性內力重分布階段的內力都與線彈性法的計算值有出入而在實現(xiàn)內力充分重分布形成破壞機構時其最終的內力分布取決于各截面的極限彎矩值仍與線彈性分析 一致故線彈性分析法也適用于結構承載能力極限狀態(tài)的驗算同樣可保證結構的安全且實用上簡易可行結構工程的無數(shù)實例足以證實其可靠性 當然其條件是構件 截面〉有足夠的塑性轉動能力能保證結構的內力充分重分布還需符合正常使用極限狀態(tài)的要求混凝土結構在使用階段因為混凝土開裂剛度減小而變形增大內力重分布又影響其他部分的混凝土開裂必要時應作驗算 2 考慮塑性內力重分布的分析方法 超靜定結構在達到承載能力極限狀態(tài)之前總要發(fā)生程度不等的塑性內力重分布最終的內力分布主要取決于各構件 截面 的配筋和極限彎矩值主動地利用混凝土結構的 這一特點確定其設計內力值具有簡化計算節(jié)約鋼材調整布筋方便施工等優(yōu)點 考慮塑性內力重分布的結構分析方法有多種比較簡便且應用最多的是彎矩調幅法首先用線彈性法分析各種荷載狀況下的結構內力獲得各控制截面的最不利彎矩后對構件的支座截面彎矩進行調幅處理并確定相應的跨中彎矩這一分析方法已在我國應用多年取得較好的技術經濟效益且有專門的設計規(guī)程可敷設計時采用彎矩調幅法最適宜應用于連續(xù)梁連續(xù)單向板和框架等結構其他類結構例如框架一剪力墻雙向板等也可用同樣的原理進行內力調幅處理 此類方法是針對結構的承載能力極限狀態(tài)所建立為保證 結構在極限狀態(tài)時實現(xiàn)設計內力值各構件 截面 必須具有足夠的塑性轉動能力構件的選材和配筋率等應滿足一定要求 此外結構在使用階段的內力分布顯然不同于設計值一些控制截面附近將提早出現(xiàn)裂縫一般情況下對彎矩調幅值加以限制就可滿足結構的正常使用性能必要時才進行專門的驗算所需結構內力可按線彈性法分析 有些結構不允許出現(xiàn)裂縫或直接承受動荷載作用或處于嚴重的侵蝕環(huán)境等情況下為保證其安全性不宜采用此類分析方法 3 塑性極限分析方法 此類方法假設結構的材料或構件為剛塑性或彈塑性體應用塑性理論中的上限解下限解和解答唯一性等基本 定理驗算結構的極限承載力或求解結構承載能力極限狀態(tài)時的內力但不能用于結構使用階段的分析此類方法在歐美稱為塑性分析法在俄國則稱為極限平衡法 塑性極限分析法最常應用于雙向板的設計我國多使用塑性鉸線法 上限解 歐美還使用條帶法 下限解 此法還可應用于連續(xù)梁和框架等結構的分析和設計我國按塑性極限分析設計雙向板已有數(shù)十年的工程經驗證明結構安全可靠且計算和構造均簡便易行但也需注意滿足結構在使用階段的性能要求 板柱體系的實用分析法 布置規(guī)則連續(xù)多跨跨度接近 豎向活恒載比值不大時板內力變化范圍較小可采用彎矩系數(shù)法直接計 算兩個方向柱上板帶和跨中板帶各控制截面支座和跨中的彎矩設計值系數(shù) 主要依據板的彈性內力分布并考慮內力重分布參考已有試驗結果和工程經驗而確定 布置不太規(guī)則時豎載下可用等代框架法進行近似分析兩個方向都等代為梁 柱框架進行計算再將等代梁控制截面支座和跨中彎矩向柱上板帶和跨中板帶分配彎矩分配系數(shù)亦是參照彈性分析結果和工程經驗確定的 4 非線性分析方法 以鋼筋混凝土的材料構件 截面 或各種計算單元的實際力學性能為依據導出相應的非線性本構關系并建立變形協(xié)調條件和力學平衡方程后可準確地分析結構從開始受力直至承載力極限狀態(tài)甚至其后的承載力下降段的各種作用效應的變化全過程必要時還可考慮結構 的幾何非線性的作用效應和隨時間環(huán)境條件變化的各種作用效應 顯然非線性分析能應用于一切類型和形式的結構體系又適用于結構受力全過程的各個階段有些體形復雜和受力特殊的結構體系其他類分析方法難以準確求解只有非線性分析可給出滿意的結果混凝土結構的非線性分析采用了日趨成熟而多樣的有限元方法充分地利用高速發(fā)展的計算機技術成為一種強有力的計算手段可快速準確地給出結構的全方位的作用效應在實際的工程設計中起了重要作用已經成為先進分析方法的發(fā)展方向且不同程度地納入國外的一些主要設計規(guī)范 但是非線性分析法比較復雜計算工作量很大 所需的鋼筋混凝土各種非線性本構關系尚不夠完善至今使用范圍仍有限目前主要應用于重要的大型結構工程如水壩核電站結構等以及在特殊作用如地震核爆炸溫度等情況下的結構分析 5 試驗分析方法 各種結構特別是體形和受力復雜的結構可用鋼筋混凝土彈性材料或其他材料制作成結構的整體或其一部分的模型進行荷載或其他作用的試驗測定其內 應 力分布變形和裂縫的發(fā)展確定其破壞形態(tài)和極限承載能力等以此為依據可判斷結構的安全性和使用階段的性能驗證或修正計算方法測定計算所需的參數(shù)值修改初步設計改進構造措施等完成結構分析所需解決的問題試驗方法對驗算結構的正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)均可適用 上述的五類結構分析方法中又各有多種具體的計算方法有解析解或數(shù)值解精確解或近似解在結構設計時應根據建筑物的重要性和使用要求結構體系的特點荷載 作用 狀況要求的計算精度等加以選擇有時還取決于手頭的分析手段如計算程序手冊圖表等 Ⅳ混凝土的多軸強度與本構關系 單軸受壓σ ε曲線 單軸受拉σ ε曲線 雙軸強度 三軸抗壓強度 多軸應力狀態(tài)下的破壞準則 用σ oct τ oct 表示 混凝土本構關系 非線性正交異性模型或其他本構模型 四正截面受彎承載力計算 理論體系相對 較為完備不變本次修訂一是為了適應混凝土強度等級提高帶來的變化混凝土應力 應變關系曲線上升段逐漸趨近于直線相應于峰值應力的應變有所增加下降段變陡二是為了提高安全度以及與國際規(guī)范接軌 參照 CEBFIP MC90規(guī)范處理如下 1 受壓區(qū)混凝土σ ε關系 五正截面受壓承載力計算 一軸心受壓 鋼箍柱 螺旋筋柱 二偏心受壓矩形截面 1 承載力公式 2 二階效應問題 二階效應是指桿件軸力在產生了側向位移和桿件撓曲變形的結構中引起的附加內力偏心受壓構件均應考慮 二階效應計算本屬于結構分析的內容但計算側移與撓度時所 用的桿件實際剛度不是彈性剛度所以手算極為復雜因此條件不成熟時在原規(guī)范中只能在偏壓構件受壓承載力設計中采用近似的η l0 法以偏心距增大系數(shù)η來增大彎矩值用以反應二階效應的影響此時 l0 為相應的標準柱的長度即計算長度 1 考慮二階效應的彈性分析方法 結構內力仍按彈性體系分析 區(qū)別是考慮結構變形的幾何非線性 辦法是對桿件的剛度進行折減原則使層間位移及其分布相當各桿件內力相近取毛截面彈性剛度 EcI修正系數(shù) 2η l0 法 老方法 η公式同原規(guī)范 l0 的取值 ①排架及常見框架同原規(guī)范 ②當水平 荷載產生的彎矩占總彎矩 75 以上時 當 Mh 相對很大或ψ min 過大時η MhMv 有可能小于η sMhMv 為安全計與η相應的 l0 取值要按上列兩公式計算比原規(guī)范增大一些 3 其他問題 基本上同原規(guī)范 三任意截面的正截面承載力一般性計算方法 了倪克勤公式此法補充于附錄 F 備選 劃分預應力筋 Apk 普通鋼筋 Asj及受壓混凝土單元 Aci 根據平截面假定求出ε pk ε sj ε ci 根據材料σ ε關系求出σ pk σ sj σ ci 根據靜力平衡求出 NMxMy 逐次假定中和軸位置 xn逐次迭代電算完成 六斜截面受剪承載力 計算 75 理論尚不完備國際上各不相同此次未做大的改變主要是 將適用范圍擴大到更高混凝土強度等級更大的截面高度適當提高可靠度 1 防止斜壓破壞及斜拉破壞的條件 截面尺寸的控制 同原規(guī)范但公式中加了一個β c 2 不配腹筋的板類受彎構件的斜截面受剪承載力 fc 改為 ft 近似取 ft 01 fc 考慮截面高度的影響β h 1～ 08 縱筋的影響仍未納入 3 受彎構件 一般構件 6 雙向受剪柱增補 18 七扭曲截面承載力計算 1 截面尺寸控制條件 八受沖切承載力計算 1 不配置箍筋或彎筋的板 還考慮了局部荷載附近開洞對 um的影 響 2配置箍筋或彎筋的板基本同原規(guī)范 3基礎沖切承載力基本同原規(guī)范 4 板柱節(jié)點當傳遞不平衡彎矩時承載力下降規(guī)范的措施是不變承載力增大沖剪力 Fl取等效集中反力設計值 Fleq Fleq由新規(guī)范附錄G列出參照 ACI 九局部受壓承載力計算 1截面尺寸控制條件 十疲勞驗算 1受彎構件正截面疲勞應力驗算 2 受彎構件斜截面疲勞驗算 1 中和軸處混凝土剪應力τ f≤ 06ftf 箍筋按構造配置 十一裂縫寬度與撓度驗算 1 一級嚴格要求不出現(xiàn)裂縫的構件 1 正截面混凝土法向應力 鋼筋表面特征系數(shù)υ只與粘結力項 有關與 c無關 υ光面鋼筋 07帶肋鋼筋 10鋼絲 04～ 08鋼絞 線05 ～ 06 υ移入括號內所以括號內的系數(shù)改了 σ sk 計算同原規(guī)范 ψ公式同原規(guī)范 新規(guī)范的最大裂縫寬度公式與原規(guī)范公式實質沒有根本性改變亦即基本保留了原規(guī)范的計算理論和方法試驗統(tǒng)計平均裂縫間距由伸長差得平均裂縫寬度乘以擴大系數(shù)得最大裂縫寬度局部改進歸納如下 保護層厚度的影響與鋼筋表面特征關系不大系數(shù)υ移入括號內在粘結力項中考慮 終確定考慮到了保護層厚度有增大的趨勢收集和分析了厚保護層試驗資料適用厚度可達到 65mm 鋼筋換算直 徑中考慮了不同鋼筋表面特征對粘結特性的影響考慮了環(huán)氧涂層帶肋鋼筋υ的取值 8 折 對鋼筋混凝土構件和預應力混凝土構件分別給出了構件受力特征系數(shù)原規(guī)范用同一值 根據某些低配筋率構件工程實踐縫間鋼筋應變不均勻系數(shù)ψ 注意 c大則 w大不耐久控裂理由裂縫過寬①引起銹蝕降低耐久性②損壞外觀引起不安 按常識