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摘要高强混凝土结构虽然能够提高构件的承载力,有效减小构件的尺寸,但高强混凝土构件延性较差、破坏突然,这严重阻碍了高强混凝土结构在地震区的推广应用。本文主要从以下几个方面阐述影响高强混凝土结构延性的因素。
关键词高强混凝土 延性 轴压比 配箍率
中图分类号:TU528文献标识码:A
随着现代建筑业的蓬勃发展,人们对建筑的要求越来越高,建筑物越来越高,跨度越来越大,使普通混凝土的使用已经达到使用极限,高强混凝土应运而生,高强混凝土强度大、耐久性好等优点。但是高强混凝土的延性相对较差,找到提高或改善它延性措施与方法是迫在眉睫的。
延性就是刚度及承载力没有明显的下降的情况下,通过非弹性变形来吸收和耗散对结构或构件不利的能量的能力。延性设计主要是利用结构的非弹性变形来吸收和耗散对结构不利的能量使结构趋于稳定完整。在地震作用下,由于地震作用的偶然性和不完全预测性,用延性的方法可以利用变形来吸收和耗散地震能量,使建筑物不至于倒塌避免造成无法挽回损坏。
1 轴压比的影响
轴压比是影响压弯构件延性诸多因素中最主要的因素。不论混凝土强度等级如何.随轴压比的增加,构件的延性逐渐降低,当轴压比很小时,压弯构件的延性如同受弯构件,即使在含箍率很小的情况下,构件也能获得很好的延性。在高轴压比的情况下,配箍率对构件延性的影响减弱。在钢筋混凝土框架抗震设计中,为了保证框架柱具有足够的延性,我国的抗震设计规范GB5001-2001中作出了轴压比限值的规定。这一规定是我国抗震规范区别于欧美代表性规范的特点之一,然而,在近年来的设计实践中,要求提高轴压比限值的呼声越来越高。通过对一些大的设计院的调查发现,几乎每个钢筋混凝土框架、框一剪或框一筒结构形式的高层建筑,经常出现的问题是:框架柱的截面由轴压比限值来确定,而配筋由规范规定的构造配筋来决定,这显然存在着不合理的地方,框架柱的截面由轴压比来确定,往往使柱子断面很大,在上海地区,柱断面为2m€?m也很多。一方面,这样大的柱子,很容易使柱子的剪跨比小于2而成为抗震性能不好的短柱。另一方面,由于柱子截面大,占去了很多的空间,同时由于自重增大,产生的地震反应增大,造成了恶性循环。轴压比对压弯构件延性的影响主要表现在如下两个方面:
(1)轴压比和混凝土极限压应变的关系,压弯构件随着轴压比的不同,截面的应变分布明显不同,低轴压比时截面的应变分布如同受弯构件,应变梯度较大。随着轴压比的增大,截面的应变梯度减小,当轴压比很高时,截面的应变分布进似于轴心受压构件。约束混凝土的极限变形能力除与轴压比有关外还与配箍率有关,混凝土的约束程度越大,极限变形越大。略去箍筋对混凝土极限变形的有利影响,轴压比对混凝土极限变形的影响可近似应用:cu=0.0033-0.0015n。式中:n为轴压比;n=N/fcbh。当轴压比为1时,即轴心受压构件cu=0.002;当轴压比为O时,即为受弯构件cu=0.0033。
(2)预压应变对截面曲率延性的影响,构件在施加纵向力时,根据轴压比的不同截面的预压应变p,不同,预压应变的大小直接影响到截面曲率延性的大小。当轴压比为0时,p =0,此时截面的极限曲率为:u=p /x0;当轴压比不为0时,p ≠0时,截面的极限曲率为:u=(cu-p)/x0。由此可以看出,轴压比越大,预压应变越大,损伤的转角越大,截面的曲率延性越差。
2 配箍率的影响
在相同轴压比的情况下,位移延性随着配箍率的增加而增加。在低轴压比情况下配箍率的影响比高轴压比情况大,随着轴压比的增大配箍率对延性的影响逐渐减弱,当轴压比超过某一限值时,配箍率对延性的影响很小,起决定作用的是轴压比。
3 混凝土强度的影响
在相同轴压比和相同配箍率情况下,混凝土强度不同构件的延性也不同,随着混凝土强度的提高,延性逐渐降低。混凝土强度对延性的影响是由于混凝土应力变化引起的。
4 剪跨比的影响
在地震荷载作用下,框架结构中,柱一般同时承受剪力、弯矩和轴力。从钢筋混凝土框架柱破坏的情况看,在地震力作用下,容易在柱脚处形成塑性转角或混凝土压碎破坏剪跨比=H/2h0反映了剪跨段内弯剪应力的比值号,当剪跨比小于2时会形成抗震性能不好的短柱,易产生剪切破坏,从而使构件的延性变得很差。
5 钢筋的影响
当纵筋屈服时构件的承载力急剧降低,尤其是箍筋间距较大,含箍率偏低时这一现象更为明显。纵筋屈服越晚,构件的延性越好。纵筋屈服时的应变,不但取决于纵筋自身的刚度还取决于箍筋的间距和轴压比的大小及保护层的厚度等。在高强钢筋混凝土构件中,纵向配筋率较大或纵筋直径较粗,易发生粘结开裂破坏,这种破坏延性较差,所以一般通过提高纵筋强度来限制纵筋率和纵筋直径,以避免粘结破坏。同时,提高纵筋强度也可以有效防止纵筋的屈服破环。因此高强钢筋混凝土结构中纵筋多用Ⅱ级以上的高强钢筋,试验表明提高配箍率或箍筋强度能明显改善高强钢筋混凝上构件的延性,所以高强混凝土结构中,箍筋也多为Ⅱ级以上(下转第77页)(上接第75页)的钢筋。
6 保护层厚度的影响
约束混凝土柱当箍筋外缘的混凝土剥落时,其水平承载力有明显降低,保护层的厚度越大,荷载下降越大。混凝土强度越高保护层的影响越显著。这是由于保护层混凝土在剥落前承受了较大的压力所至。尤其对截面小的柱子由于保护层占的截面比率较大,保护层的影响相对较大。
7 箍筋形式的影响
单纯采用矩形箍筋时,对混凝土的约束效果差,混凝土的有效约束面积小。采用复合箍筋可以改善对核心混凝土的约束性能,其原因是复合箍筋增强了对纵筋的约束效果,减小了外箍的自由长度,从而避免了纵筋和外箍过早屈曲,减小了混凝土的剥落面积,提高了约束效果。
8 钢筋与混凝土粘结对延性的影响
钢筋混凝土是由钢筋与混凝土两中不同的材料组成,它们能共同工作的重要条件是依靠两者之间的粘着力。形成这种粘着力的因素有三种:钢筋凹凸不平的表面与混凝土的机械咬合力、钢筋表面与水泥胶体间的胶结力及混凝土收缩对钢筋产生的摩擦力,其中最主要的是机械咬合力,试验表明,变形钢筋与混凝土之间的粘着力可比光圆钢筋提高1.5-2.0以上。由于粘着力的差异,构件在抗震性能上有很明显的差别,在反复荷载作用下,配制光圆钢筋的节点容易产生钢筋滑移,反映在荷载-变形曲线上使滞回环产生捏缩现象,即所谓的pinch效应。所以在抗震中不宜采用光圆钢筋作受力筋。
参考文献
[1]赵成文.高强钢筋混凝土受压构件的延性分析.沈阳建筑工程学院,硕士研究生论文.
[2]张恒宁等.浅谈抗震设计中影响框架柱延性的因素.工程抗震,2001.
[3]郑冬菁.浅谈钢筋砼框架结构在抗震中的延性设计.福建建设科技,2002.
[4]李升才.高层建筑混凝土结构的延性问题叨.天津城市建设学院学报,2001.
[5]李平昌,雷汲川.钢筋混凝土结构抗震的延性设计.工程结构,2004.
关键词高强混凝土 延性 轴压比 配箍率
中图分类号:TU528文献标识码:A
随着现代建筑业的蓬勃发展,人们对建筑的要求越来越高,建筑物越来越高,跨度越来越大,使普通混凝土的使用已经达到使用极限,高强混凝土应运而生,高强混凝土强度大、耐久性好等优点。但是高强混凝土的延性相对较差,找到提高或改善它延性措施与方法是迫在眉睫的。
延性就是刚度及承载力没有明显的下降的情况下,通过非弹性变形来吸收和耗散对结构或构件不利的能量的能力。延性设计主要是利用结构的非弹性变形来吸收和耗散对结构不利的能量使结构趋于稳定完整。在地震作用下,由于地震作用的偶然性和不完全预测性,用延性的方法可以利用变形来吸收和耗散地震能量,使建筑物不至于倒塌避免造成无法挽回损坏。
1 轴压比的影响
轴压比是影响压弯构件延性诸多因素中最主要的因素。不论混凝土强度等级如何.随轴压比的增加,构件的延性逐渐降低,当轴压比很小时,压弯构件的延性如同受弯构件,即使在含箍率很小的情况下,构件也能获得很好的延性。在高轴压比的情况下,配箍率对构件延性的影响减弱。在钢筋混凝土框架抗震设计中,为了保证框架柱具有足够的延性,我国的抗震设计规范GB5001-2001中作出了轴压比限值的规定。这一规定是我国抗震规范区别于欧美代表性规范的特点之一,然而,在近年来的设计实践中,要求提高轴压比限值的呼声越来越高。通过对一些大的设计院的调查发现,几乎每个钢筋混凝土框架、框一剪或框一筒结构形式的高层建筑,经常出现的问题是:框架柱的截面由轴压比限值来确定,而配筋由规范规定的构造配筋来决定,这显然存在着不合理的地方,框架柱的截面由轴压比来确定,往往使柱子断面很大,在上海地区,柱断面为2m€?m也很多。一方面,这样大的柱子,很容易使柱子的剪跨比小于2而成为抗震性能不好的短柱。另一方面,由于柱子截面大,占去了很多的空间,同时由于自重增大,产生的地震反应增大,造成了恶性循环。轴压比对压弯构件延性的影响主要表现在如下两个方面:
(1)轴压比和混凝土极限压应变的关系,压弯构件随着轴压比的不同,截面的应变分布明显不同,低轴压比时截面的应变分布如同受弯构件,应变梯度较大。随着轴压比的增大,截面的应变梯度减小,当轴压比很高时,截面的应变分布进似于轴心受压构件。约束混凝土的极限变形能力除与轴压比有关外还与配箍率有关,混凝土的约束程度越大,极限变形越大。略去箍筋对混凝土极限变形的有利影响,轴压比对混凝土极限变形的影响可近似应用:cu=0.0033-0.0015n。式中:n为轴压比;n=N/fcbh。当轴压比为1时,即轴心受压构件cu=0.002;当轴压比为O时,即为受弯构件cu=0.0033。
(2)预压应变对截面曲率延性的影响,构件在施加纵向力时,根据轴压比的不同截面的预压应变p,不同,预压应变的大小直接影响到截面曲率延性的大小。当轴压比为0时,p =0,此时截面的极限曲率为:u=p /x0;当轴压比不为0时,p ≠0时,截面的极限曲率为:u=(cu-p)/x0。由此可以看出,轴压比越大,预压应变越大,损伤的转角越大,截面的曲率延性越差。
2 配箍率的影响
在相同轴压比的情况下,位移延性随着配箍率的增加而增加。在低轴压比情况下配箍率的影响比高轴压比情况大,随着轴压比的增大配箍率对延性的影响逐渐减弱,当轴压比超过某一限值时,配箍率对延性的影响很小,起决定作用的是轴压比。
3 混凝土强度的影响
在相同轴压比和相同配箍率情况下,混凝土强度不同构件的延性也不同,随着混凝土强度的提高,延性逐渐降低。混凝土强度对延性的影响是由于混凝土应力变化引起的。
4 剪跨比的影响
在地震荷载作用下,框架结构中,柱一般同时承受剪力、弯矩和轴力。从钢筋混凝土框架柱破坏的情况看,在地震力作用下,容易在柱脚处形成塑性转角或混凝土压碎破坏剪跨比=H/2h0反映了剪跨段内弯剪应力的比值号,当剪跨比小于2时会形成抗震性能不好的短柱,易产生剪切破坏,从而使构件的延性变得很差。
5 钢筋的影响
当纵筋屈服时构件的承载力急剧降低,尤其是箍筋间距较大,含箍率偏低时这一现象更为明显。纵筋屈服越晚,构件的延性越好。纵筋屈服时的应变,不但取决于纵筋自身的刚度还取决于箍筋的间距和轴压比的大小及保护层的厚度等。在高强钢筋混凝土构件中,纵向配筋率较大或纵筋直径较粗,易发生粘结开裂破坏,这种破坏延性较差,所以一般通过提高纵筋强度来限制纵筋率和纵筋直径,以避免粘结破坏。同时,提高纵筋强度也可以有效防止纵筋的屈服破环。因此高强钢筋混凝土结构中纵筋多用Ⅱ级以上的高强钢筋,试验表明提高配箍率或箍筋强度能明显改善高强钢筋混凝上构件的延性,所以高强混凝土结构中,箍筋也多为Ⅱ级以上(下转第77页)(上接第75页)的钢筋。
6 保护层厚度的影响
约束混凝土柱当箍筋外缘的混凝土剥落时,其水平承载力有明显降低,保护层的厚度越大,荷载下降越大。混凝土强度越高保护层的影响越显著。这是由于保护层混凝土在剥落前承受了较大的压力所至。尤其对截面小的柱子由于保护层占的截面比率较大,保护层的影响相对较大。
7 箍筋形式的影响
单纯采用矩形箍筋时,对混凝土的约束效果差,混凝土的有效约束面积小。采用复合箍筋可以改善对核心混凝土的约束性能,其原因是复合箍筋增强了对纵筋的约束效果,减小了外箍的自由长度,从而避免了纵筋和外箍过早屈曲,减小了混凝土的剥落面积,提高了约束效果。
8 钢筋与混凝土粘结对延性的影响
钢筋混凝土是由钢筋与混凝土两中不同的材料组成,它们能共同工作的重要条件是依靠两者之间的粘着力。形成这种粘着力的因素有三种:钢筋凹凸不平的表面与混凝土的机械咬合力、钢筋表面与水泥胶体间的胶结力及混凝土收缩对钢筋产生的摩擦力,其中最主要的是机械咬合力,试验表明,变形钢筋与混凝土之间的粘着力可比光圆钢筋提高1.5-2.0以上。由于粘着力的差异,构件在抗震性能上有很明显的差别,在反复荷载作用下,配制光圆钢筋的节点容易产生钢筋滑移,反映在荷载-变形曲线上使滞回环产生捏缩现象,即所谓的pinch效应。所以在抗震中不宜采用光圆钢筋作受力筋。
参考文献
[1]赵成文.高强钢筋混凝土受压构件的延性分析.沈阳建筑工程学院,硕士研究生论文.
[2]张恒宁等.浅谈抗震设计中影响框架柱延性的因素.工程抗震,2001.
[3]郑冬菁.浅谈钢筋砼框架结构在抗震中的延性设计.福建建设科技,2002.
[4]李升才.高层建筑混凝土结构的延性问题叨.天津城市建设学院学报,2001.
[5]李平昌,雷汲川.钢筋混凝土结构抗震的延性设计.工程结构,2004.