钢筋混凝土梁的截面转动能力研究

发布时间：2020-03-23 13:05

【摘要】：塑性铰转动能力对于钢筋混凝土构件或结构的安全使用非常重要,一方面它保证了构件或结构有一定的变形能力来承受温度、徐变和支座位移等因素带来的影响。另一方面对于基于弯矩重分布设计的超静定结构而言,充足的塑性铰转动能力则是保证结构达到承载能力设计要求的必要条件。然而影响塑性铰转动能力的因素众多,准确地计算塑性铰转动能力并非易事,因此这一问题一直是结构工程界研究的热点与难点之一。本文在分析与总结一部分塑性铰转动能力计算模型的基础上,对钢筋在屈服前后与混凝土的粘结行为、受拉刚化作用以及混凝土的受压行为进行了分析,并据此提出了通用的钢筋混凝土梁转动变形计算模型用以计算塑性铰转动能力。随后本文进行了 8根不同配筋率与钢筋延性的钢筋混凝土三点弯曲梁试验,并根据试验的结果对提出的钢筋混凝土梁转动变形计算模型进行了验证。最后利用这一计算模型对弯矩调幅法中的一些参数进行了分析讨论。本文主要的研究内容为:(1)对钢筋在屈服前后与混凝土的粘结行为进行了分析。引入界面断裂能的定义推出了均匀粘结应力模型,即用两个常量的粘结应力来表示钢筋屈服前后与混凝土的粘结行为。利用均匀粘结应力求解钢筋在混凝土中的应力、应变分布和滑移分布的解析解。推出了钢筋在屈服时滑移的公式,使得Engstrom粘结-滑移模型更加完备。提出了以钢筋应变为单一变量描述钢筋屈服前后与混凝土粘结行为的粘结应力-钢筋应变模型。利用级数的概念解释了钢筋屈服后在粘结应力-滑移关系曲线中出现的陡降现象。最后利用一些拉拔试验的结果推出了两个混凝土构件特征时期的均匀粘结应力代表值。(2)将提出的均匀粘结应力模型与拉杆模型组合对钢筋混凝土间的受拉刚化作用做了解析性分析,求得了钢筋混凝土从开始受拉至钢筋断裂这一完整加载过程中钢筋与混凝土的应力、应变分布,并同其他受拉强化作用模型对钢筋混凝土的受拉试验进行了模拟与对比。(3)对混凝土的受压行为进行了分析。参考对受拉混凝土的断裂分析,将Bazant断裂带理论拓展到了受压混凝土的变形计算,推出了混凝土受压线性软化模型。随后将Hognestad混凝土本构模型与线性软化模型分别用于受压混凝土峰值应力之前与峰值应力之后的应力-应变关系的描述,最后对混凝土受压试验结果进行了模拟与对比。(4)根据钢筋混凝土梁受压软化行为的出现与否分情况讨论了钢筋混凝土梁转动变形的计算,但基本思路仍然是通过力的平衡与变形协调的要求,将混凝土的受压行为与钢筋混凝土受拉行为进行有效组合,得到弯矩-曲率关系曲线用于钢筋混凝土梁转动变形计算。在加载过程中,当梁顶部受压混凝土进入软化阶段前,受压混凝土可以视为均匀状态,梁的转动变形直接通过截面弯矩-曲率关系曲线进行评估;当部分受压混凝土进入软化阶段后,将钢筋混凝土梁划分为铰区与非铰区,非铰区的混凝土可以视为均匀状态,但对于铰区的压碎混凝土则采取了理想化的处理办法,将其视为由混凝土破坏面组成的特殊区域,求出可以考虑混凝土受压软化的弯矩-曲率关系曲线来进行梁的转动变形计算。(5)分析了钢筋混凝土梁在斜裂缝出现后剪力对转动变形的影响。考虑了混凝土裂缝处的多种作用,对钢筋混凝土断裂膜模型进行了修正。讨论了定角膜单元中斜裂缝间距的计算。最后提出使用修正断裂膜模型计算剪力影响下无腹筋混凝土梁转动变形的方法。(6)开展了钢筋混凝土三点弯曲梁试验,研究不同配筋率与钢筋延性对钢筋混凝土梁转动能力的影响。利用本文提出的转动变形计算模型与考虑剪力影响的转动变形计算模型对这一系列的试验进行了模拟与对比,并证实了这一计算模型的有效性。同时对模拟计算中使用的粘结应力进行了分析与讨论。(7)利用提出的梁转动变形计算模型对钢筋的延性、跨高比等参数进行了一系列的分析。介绍了通过比较转动能力与转动需求确定弯矩调幅程度的方法,并对弯矩调幅系数与钢筋混凝土构件截面最大相对受压区高度的关系进行了讨论。最后结合参数分析的结果对弯矩调幅法提出了一些建议。本文为研究钢筋与混凝土的粘结作用、混凝土受压、钢筋混凝土构件转动变形这些钢筋混凝土基本行为提供了新的思路。提出的钢筋混凝土梁转动变形计算模型可以对混凝土结构设计规范、规程中有关规定进行验证与评估,是进行钢筋混凝土结构安全与经济设计的一个很好的工具。
【图文】：

配筋率,钢筋混凝土梁,转动能,跨高比

的相对受压区高度；ｃ／ｈ邋＝逦或是配筋指数叫＝（ｐｓ／ｙ）／／ｅ来表示塑性铰转动能逡逑力。当钢筋与混凝土的材性一定时这两个参数与配筋率是等效的。试验及数值分析（图１－１）逡逑表明［２义对于以底部钢筋拉断为破坏特征的钢筋混凝土梁，随着配筋率的增加转动能力会相逡逑应增加＾对于以顶部混凝土受压破碎为破坏特征的钢筋混凝土梁，随着配筋率的增加转动能逡逑力会相应降低。而在这两种破坏状态的临界点即底部钢筋拉断与顶部混凝土压碎同时发生时逡逑梁的转动能力达到最大。逡逑Ｖ丨逡逑钢？ｍ断一？赛ａ邋土邋ｊ｜吞逡逑Ｔ逦ｐＴ逡逑图１－１不同配筋率钢筋混凝土梁的转动能力变化ｗ逡逑跨高比的影响逡逑跨高比对塑性铰转动能力产生影响的根本原因是由于弯矩梯度的存在【２２】。跨高比越大，逡逑弯矩梯度就越小，弯矩在梁跨上的分布就越缓，形成的塑性铰区就越长，由此产生的转动能逡逑力也就越强。当跨高比越小时，弯矩梯度就越大，弯矩在梁跨上的分布就越陡，形成的塑性逡逑铰区就越小，由此产生的转动能力也就越小。同样的原因也可以解释加载板宽度对于转动能逡逑力的影响。当加载板宽度越大时意味着通过加载板施加的荷载作用宽度越长，形成的塑性铰逡逑区的长度也就越长

模型图,弯剪,模型,剪应力

梁中剪力的彩响逡逑根据加载点或是支座区剪力的大小，钢筋混凝土梁会形成两种形态的塑性铰：弯曲铰与逡逑弯剪铰，如图１－２所示。弯曲铰区内剪力很小，弯矩的作用很突出，产生的塑性变形多集中逡逑于一条或较少的几条竖向裂缝，，因此弯曲铰的转动能力相对要小。而斜裂缝铰区内形成的裂逡逑缝则以弯剪斜裂缝为主，裂缝数量较多，分布区域较大。当梁有着足够的抗剪能力时，弯剪逡逑铰的转动能力要比弯曲剪力铰的转动能力大很多，这是由于弯剪斜裂缝的存在增大了塑性铰逡逑区的范围Ｗ。逡逑ｒｒｆｒＴＴＴｆｍ逦ｗ＂逡逑１逦：逦；；逦ｆ－逦１逦－ｉ逦ｒｉ０ｐｉ逡逑＊邋ｌ逦１邋ｉｉ逦＂逡逑Ｆ逦Ｖ逡逑Ｉ邋ＩＩ逡逑（ａ）弯曲铰逡逑ｉ逦ｆ逡逑ｉｉ逦逦逦：逦＞４逦＇ｒ＇ｅｐｌ逡逑■邋Ｉ逦＊邋ＩＩ逦＞邋．逡逑ｉｆ逦；；逡逑ｌ邋＊邋ＩＩ逡逑Ｃｂ）弯剪铰逡逑图１－２弯曲铰与弯剪铰模型Ｍ逡逑图１－３描述了梁截面上剪应力与梁转动变形的关系：当剪应力较小时，梁内形成的是弯逡逑曲铰，随着剪应力增加，梁的转动变形逐渐减小。当剪应力达到一定数值，梁内斜裂缝逐渐逡逑形成，此时的转动变形急剧增大。而对弯剪铰而言，随着剪应力的增加，梁的转动变形则逐逡逑渐下降。逡逑＾邋斜裂~+形成逡逑＼邋：ｒ－ｘ逡逑转动邋＼邋ｆ邋！逦＼逡逑＼ｊ［逦＼逡逑￣Ｔ逡逑图１－３塑性较转动能力与剪应力的关系Ｗ逡逑之所以要区分弯曲铰与弯剪铰，是因为这两种塑性铰对应的转动能力是不同的。试验研逡逑宄表明对于具有一般配筋率的钢筋混凝土梁而言
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU375.1

【参考文献】