鋼筋混凝土框架柱的彈塑性分析[摘要]國(guó)內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)針對(duì)中震、大震作用下基于性能抗震設(shè)計(jì)的彈塑性分析，規(guī)范雖然對(duì)有關(guān)高層建筑提出了要求，但分析標(biāo)準(zhǔn)還很不明確，國(guó)內(nèi)工程師只得參考國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范。該文通過(guò)對(duì)鋼筋混凝土框架柱的仿真分析與我國(guó)及美國(guó)規(guī)范計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，以論證國(guó)內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)參考國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，進(jìn)行針對(duì)中震、大震作用下基于性能抗震設(shè)計(jì)的彈塑性分析的可靠性及應(yīng)注意的事項(xiàng)。一、引言我國(guó)規(guī)范針對(duì)中震、大震作用下結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計(jì)，是以規(guī)定大量的抗震措施，來(lái)保證建筑結(jié)構(gòu)達(dá)到中震可修，大震不倒的目標(biāo)，但對(duì)中震、大震作用下的結(jié)構(gòu)分析涉及甚少。針對(duì)大震作用下結(jié)構(gòu)整體破壞，雖有結(jié)構(gòu)整體彈塑性層間位移角的控制，但對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)件的檢驗(yàn)水準(zhǔn)，只能參照有關(guān)構(gòu)件承載力計(jì)算的相關(guān)規(guī)定，即可按規(guī)范計(jì)算出構(gòu)件的屈服承載力，這大致等同國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)或報(bào)告中的對(duì)安全使用、立即入住水準(zhǔn)LS的規(guī)定。本文是針對(duì)我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)大震不倒水準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)彈塑性分析而進(jìn)行的研究，故在采用ANSYS進(jìn)行仿真分析時(shí)，材料的強(qiáng)度取值均相應(yīng)采用我國(guó)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。但約束混凝土的本構(gòu)模型及構(gòu)件性能目標(biāo)限值，我國(guó)規(guī)范現(xiàn)暫無(wú)確切的規(guī)定，則只好參照有關(guān)構(gòu)件承載力計(jì)算的相關(guān)規(guī)定及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)或報(bào)告。本次研究，結(jié)合《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2002）[以下均簡(jiǎn)稱我國(guó)規(guī)范]、《美國(guó)房屋建筑混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范》(ACI318-05)[以下均簡(jiǎn)稱美國(guó)規(guī)范]并參考國(guó)際通用的美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)FEMA356，通過(guò)對(duì)塑性鉸的屈服承載力的兩國(guó)規(guī)范計(jì)算結(jié)果與ANSYS仿真分析結(jié)果進(jìn)行比較，進(jìn)而論證采用SAP2000對(duì)我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)彈塑性分析時(shí)，其結(jié)果的準(zhǔn)確性及有關(guān)注意事項(xiàng)。假定軸壓比大于0.4，箍筋抗剪承載力大于或等于設(shè)計(jì)剪力的3/4，構(gòu)件性能目標(biāo)限值取值如下。安全使用水準(zhǔn)IO(即B點(diǎn)），大致與我國(guó)的小震不壞目標(biāo)相當(dāng)：我國(guó)規(guī)范：彈塑性總應(yīng)變限值，偏心受壓時(shí)為0.0033，軸心受壓時(shí)為0.002。FEMA356：偏心受壓時(shí)塑性鉸轉(zhuǎn)角限值取0.003，軸心受壓時(shí)塑性鉸轉(zhuǎn)角限值取0.0。震后不倒水準(zhǔn)CP（即D點(diǎn)），大致與我國(guó)的大震不倒目標(biāo)相當(dāng)：我國(guó)規(guī)范：偏心受壓時(shí)沒(méi)有相應(yīng)規(guī)定，參考整體位移不超過(guò)1/100，即塑性鉸轉(zhuǎn)角限值取0.01。軸心受壓沒(méi)有相應(yīng)規(guī)定也無(wú)可參照的規(guī)定。FEMA356：偏心受壓時(shí)塑性鉸轉(zhuǎn)角限值取0.015，軸心受壓時(shí)塑性鉸轉(zhuǎn)角限值取0.01。二、框架柱設(shè)計(jì)說(shuō)明框架柱設(shè)計(jì)截面為800mmX1000mm，柱高5000mm?；炷猎O(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)編號(hào)為C30，取混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為20MPa，混凝土彈性模量取Ec=2.8X104Mpa，柱箍筋為HRB335，體積配箍率為3.0%?？v向鋼筋為HRB335，單側(cè)配筋率為1.2%。鋼筋強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值均取為335MPa。本文計(jì)算鋼筋混凝土框架柱PM相關(guān)塑性鉸屈服承載力時(shí)，材料強(qiáng)度均按標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算。三、按我國(guó)規(guī)范公式計(jì)算混凝土本構(gòu)模型及其軸力-屈服彎矩相關(guān)曲線混凝土本構(gòu)模型按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2002）附錄三中單軸抗壓強(qiáng)度計(jì)算，結(jié)果圖3-1：混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線。圖3-1：混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線唇注：由于拿框架柱在代大偏壓壓調(diào)彎屈服后子，鋼筋屈秋服，混凝愉土嚴(yán)重拉副裂，抗拉稻強(qiáng)度幾乎債完全喪失葬，軸心受察壓屈服時(shí)綿，混凝土釋全截面受賠壓，故這托兩種情況依均無(wú)需考彼慮混凝土劃的抗拉強(qiáng)礦度。只是背在小偏壓繳壓彎屈服江當(dāng)受拉區(qū)之應(yīng)力較小鳳時(shí)，有可伯能混凝土亭會(huì)提供部割分抗拉強(qiáng)閥度。再結(jié)扣合我國(guó)規(guī)羨范，有壓撓彎構(gòu)件不幕考慮混凝康土混凝土扭的抗拉強(qiáng)灘度的規(guī)定棟，故在此鉛也不考慮負(fù)混凝土的刑抗拉應(yīng)勺力總-于應(yīng)變關(guān)系滅，即本文刺不考慮拉刮彎框架柱茫的四P-惰M皆相關(guān)鉸，雅雖羊然蛇SAP2之00烤0篩的爛P-誤M畝相關(guān)鉸曲字線計(jì)算考積慮了拉彎緞框架柱劫的稿P-菌M刑相關(guān)鉸部縱分曲線。壩但對(duì)本文璃的研究并站無(wú)影響。哪根據(jù)《混批凝土結(jié)構(gòu)啟設(shè)計(jì)規(guī)范鬧》嗎（良GB50休010-叛200提2必），取混虹凝土抗壓很強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)躬值擇fck=炒2辣0撞，鋼筋抗祝拉、抗壓嚼強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)式值均取胖為此fyk=啊33兩5蜜。經(jīng)驗(yàn)算守可得，當(dāng)首構(gòu)件總壓禍應(yīng)變珍為護(hù)ε饒=0.0危03癥3凳時(shí)，最大夠屈服彎巷矩徒Muma起x=46別86.3鏈1kN.莊m晚，其大下木偏心分界睛處的臨界宇軸嬌力飼N=81結(jié)50.8賺4k采N呆。當(dāng)構(gòu)件元總壓應(yīng)變干為猴ε任=0.0拒0請(qǐng)2酷時(shí)，最大薪破壞壓鄭力鳥(niǎo)Numa枝x=20材841.晴13k辨N袍。該框架辦柱衛(wèi)(Nu-傻Mu坡)攏軸論力趕-籍屈服彎矩縮相關(guān)曲線談詳旺圖坐3-舌2摘。醋圖秧3-纖2互：企Nu-M趟u夫軸脈力童-忙屈服彎矩赤相關(guān)曲線拖四育、乏SAP2著00躬0懸自銳動(dòng)巴P-階M稠相關(guān)鉸計(jì)坐算課效SAP芝200殿0芹自路動(dòng)凡P-厲M偽相關(guān)鉸計(jì)踐算是基于捏美國(guó)規(guī)范貝進(jìn)行的，撈雖然本次汁計(jì)算所選存用的材料憶參數(shù)均是數(shù)滿足我國(guó)央規(guī)范要求后的，但由罷于規(guī)范公葛式的差別括，結(jié)果也罰有較大的冬差別，但坡為了明確辭兩國(guó)規(guī)范富的差異有叛多大，在腹此采話用識(shí)SAP2李00穗0穩(wěn)自牛動(dòng)兆P-饅M究相關(guān)鉸計(jì)漲算功能，兔材料參數(shù)蜜及覺(jué)性能目標(biāo)仁限值李參考我國(guó)桌標(biāo)準(zhǔn)，按嘉美國(guó)規(guī)范榮公式計(jì)算法出塑性鉸夢(mèng)的屈服承在載力。津框架柱采艘用策SAP2蹲000辯1虜4慎中的甲Timo欺shen屢ko薯?xiàng)U單元進(jìn)肅行模擬，漲鋼筋混凝僵土框架截餃面儲(chǔ)P-我M修相關(guān)鉸賓在飄SAP2明000瘦1中4跨中暫采用廟自動(dòng)鉸指捉定。此處聲僅繪板出綿SAP2柴00情0保計(jì)算的框桐架振柱珠P-企M旱相關(guān)鉸結(jié)滾果，詳匯圖策4-輛1救。浴圖涉4-陪1納：框架盞柱欠P-布M茶相關(guān)鉸結(jié)魔果雙從圖中可券以看出，套當(dāng)框架柱睡達(dá)到屈服駐，偏心受排壓時(shí)，最循大屈服彎灘矩迷Muma份x=39境57.4蚊6kN.浴m隸，軸心受料壓時(shí)，最賊大破壞壓肉力慚Numa或x=19癢099.罷86k吼N勉。哥五俘、固ANSY廟S古仿真分析跟框架柱采欺用瘡soli為d6謝5必單元模擬稿，由于本掏次研究并糊不需考慮哪鋼筋與混蓋凝土界面長(zhǎng)處的相對(duì)爭(zhēng)粘結(jié)滑移閱，鋼筋的倆應(yīng)力詳情虹也無(wú)需查肥看，故本赤次鋼筋與席混凝土的謹(jǐn)組合采用嬸整體式建睜模，混凝懸土與鋼筋炮的材料模賭型各自獨(dú)慢立建立，剃混凝土考眠慮箍筋的錦箍模效應(yīng)賽，采用結(jié)改合我國(guó)規(guī)片范的約束扶混凝土角（樹(shù)Kent婚-Par剝k火）模型，搶鋼筋的應(yīng)劇力療-蜜應(yīng)變關(guān)系葡采用雙直容線（完全鍋彈塑性模吩型）進(jìn)行墻模擬。再宋應(yīng)篩用摘soli墨d6休5耗單元強(qiáng)大員的鋼筋混糕凝土模型槍進(jìn)行模擬洽。本次模字?jǐn)M，考慮必混凝土開(kāi)雙裂及壓碎朝，張開(kāi)裂堅(jiān)縫剪力傳爹遞系數(shù)淡取團(tuán)0.誤5憂，閉合裂另縫剪力傳精遞系數(shù)縱取狐0.9頃5側(cè)。約束混好凝土先（粗Kent仇-Par堅(jiān)k偶模型）的摧應(yīng)工力縱-富應(yīng)變曲線脈詳探圖挪5-1.諷圖襪5-士1貝：約束混憑凝土應(yīng)閉力平-踏應(yīng)變曲線畝（拼Kent劈-Par緒k址模型，配牙箍刃率搖1.5%閥C3氣0躍）鳴本文主要加是針對(duì)我感國(guó)材料的烏實(shí)際情況蠻，按我國(guó)膀的規(guī)范做凡彈塑性分慚析而進(jìn)行句的研究，錄故在此按疾我國(guó)的規(guī)陣范規(guī)定，醒計(jì)算出塑集性鉸局的傘ANSY犯S箏分析結(jié)果住。宜我國(guó)規(guī)范授規(guī)定，小鳴震不壞目告標(biāo)的軟性能目標(biāo)勾限值械為偏心受葉壓時(shí)彈塑快性總應(yīng)變愉不大壺于解0.00敲3辯3淘。大小偏初心受壓分資界處的臨蜻界軸力作脈用下，有再最大可承男受彎矩。廳故按柱頂余作用軸桶力暖N=81述50.8撿4k溫N介，進(jìn)行彈手塑性推覆抖分析，在雷最大彈塑犧性總應(yīng)變勸接怨近拌0.00服3遍3右時(shí)，其彈核塑性總應(yīng)追變解的首ANSY研S逐仿真分析約結(jié)果詳辭圖冶5-拼2和。茂圖扁5-晚2積：彈塑性垃總應(yīng)變拆的腹ANSY嚼S撓仿真分析款結(jié)果一俱根據(jù)我國(guó)贏規(guī)范規(guī)定閣，在邁第艘35梁3采步框架柱宋達(dá)到屈服做，破壞程過(guò)度達(dá)到小洞震不壞水荷準(zhǔn)?？傻贸庾畲笄龔潥q矩占Muma使x=46羞18.3信0kN.盡m糧。熟隔欲當(dāng)作用于虹框架的彎甘矩為零時(shí)班，柱可承暫受最大破誦壞軸力，焦此時(shí)柱即炮為軸心受蝴壓破壞。率根據(jù)我國(guó)缺規(guī)范規(guī)定喬，軸心受淋壓時(shí)，何性能目標(biāo)挖限值老為彈塑性鍵總應(yīng)變不刑大珠于掉0.00仰2腥。故按在積柱頂加軸絨心壓力作崇用，進(jìn)行架彈塑性迭闖代分析，眨當(dāng)彈塑性呼總應(yīng)變達(dá)哲到胞0.00啦2船時(shí)，認(rèn)為衰此時(shí)框架辭柱已破壞頭，破壞程坐度達(dá)到小方震不壞水防準(zhǔn)。得到器的最大破者壞壓貫力殖Puma旅x=20掩792.絡(luò)16k腫N條。其彈塑有性總應(yīng)變劈的揀ANSY牙S獄仿真分析著結(jié)果詳響圖氧5-框3板。巨圖托5-騙3尊：彈塑性仙總應(yīng)變寬的犧ANSY淹S聞仿真分析鏈結(jié)果二廢由于暴性能目標(biāo)饑限值循的差異，蠅塑性鉸屈享服承載力唯的計(jì)算結(jié)軌果自然也齊會(huì)有差異每。但我國(guó)辦規(guī)范對(duì)屈略服后的鐘性能目標(biāo)妙限值境并不明確兆，故參逼考獄FEMA軌35致6頸的規(guī)定，第在此也計(jì)責(zé)算出相應(yīng)向的塑性鉸匠屈服承載矩力蟲(chóng)的款A(yù)NSY漿S浴仿真分析糞結(jié)果，以筍探討我國(guó)博建筑結(jié)構(gòu)匆的彈塑性匪分析時(shí)，腿其艙性能目標(biāo)漲限值嚇參創(chuàng)考目FEMA瀉35疼6猶的規(guī)定是滿否可行。槽FEMA憂35羅6花規(guī)定，生卸命安全、私立即入住尾（與我國(guó)幸小震不壞等目標(biāo)相當(dāng)搖）的目標(biāo)晃的絮性能目標(biāo)鏟限值葵為偏心受湊壓時(shí)塑性夕轉(zhuǎn)角不大褲于烏0.00擔(dān)3呼。大小偏末心受壓分玩界處的臨盞界軸力作惕用下，有憶最大可承段受彎矩。昨故按柱頂捆作用軸賀力允N=81氧50.8你4k磨N枯，進(jìn)行彈輸塑性推覆餓分析，在比最大塑性咬轉(zhuǎn)角接燭近嗽0.00踏3麻時(shí)，其彈糧塑性轉(zhuǎn)角腦的瞇ANSY擊S標(biāo)仿真分析上結(jié)果詳落圖亞5-窯4略。勺圖鎮(zhèn)5-爛4壽：彈塑性起轉(zhuǎn)角菊的冬ANSY夸S鏡仿真分析閱結(jié)果一挑偏心受壓奮時(shí)，在啞第謙30溜2禁步，主節(jié)肥點(diǎn)賣Y核方向塑性腥應(yīng)變海為匙0.42悟E-桿3悲，總應(yīng)變益為慌0.55窯7E-嗚3姜，可求得城塑性鉸轉(zhuǎn)歲角醋為闖φ貪≤詢0.00羅3畝.股按痛FEMA口35搶6角中有關(guān)勞性能目標(biāo)困限值窯的規(guī)定，賓偏心受壓西時(shí)塑性鉸添轉(zhuǎn)角限值丘取溜0.00豐3唐，得到最緊大屈服彎喚矩柴Muma調(diào)x=47惡22.5示82kN霉.m.做軸心受壓塑時(shí)，在姿第寨2溉9深步，主節(jié)敗點(diǎn)堤X姑方向塑性受應(yīng)變欄為晝0.38摧9E-云3丸，總應(yīng)變綿為印0.48圍7E-杏3怎，可求得注塑性鉸轉(zhuǎn)么角萬(wàn)為申φ流≤蜓0.0演.礎(chǔ)按包FEMA懸35鉆6蛇中有關(guān)恨性能目標(biāo)庭限值信的規(guī)定，微偏心受壓父時(shí)塑性鉸盯轉(zhuǎn)角限值對(duì)取泰0.00捕3捏，得到的衛(wèi)最大破壞箱壓之力證Puma糟x=惰2依0780蓮.矩23k瓶N該。其彈塑拒性轉(zhuǎn)角吵的孝ANSY惑S班仿真分析閉結(jié)果詳醋圖紋5-瘦5臥。踢圖腐5-疾5守：彈塑性滿轉(zhuǎn)角棚的螞ANSY棉S手仿真分析崇結(jié)果弱二豬舊六、分析華結(jié)果比較大及結(jié)論贏1鉗、我國(guó)規(guī)胃范法跟與冶ANSY蟲(chóng)S督仿真分析苗結(jié)果比較必繞犁現(xiàn)將兩種躺計(jì)算方法農(nóng)所得最大芽屈服彎矩茂與最大破畝壞壓力分聲別列表如員下：送表截6-得1揚(yáng)：塑性鉸花的屈服承間載力的我縱國(guó)規(guī)范法麥與音ANSY焦S理仿真分析評(píng)結(jié)果芬計(jì)算方法兵Muma弱x晶Numa虧x勤性能目標(biāo)排限值標(biāo)準(zhǔn)役我國(guó)規(guī)范野4686剩.31減2084貍1.13露崇/熔ANSY臉S被4618辛.30狗2079妻2.16扎尾中國(guó)規(guī)范陡比值利1.47懷%僵0.24姐%恥從上網(wǎng)表螺6-倆1視可以看出誰(shuí)，按我國(guó)匠鋼筋材料賠情況，約京束混凝土隊(duì)采用結(jié)合頁(yè)我國(guó)規(guī)范勇的火Kent丘-Par者k磁模型，采嚼用惹ANSY漏S鴿進(jìn)行仿真擺分析，其景結(jié)果與按盤規(guī)范公式業(yè)計(jì)算出來(lái)愁的結(jié)果相齒比，差別濤很小，可魔見(jiàn)按我國(guó)滑規(guī)范計(jì)算宰鋼筋混凝鵝土框架柱伸塑性鉸的響屈服承載唱力，其結(jié)嫂果與實(shí)際版情況是非賺常吻合的報(bào)，準(zhǔn)確性啦很強(qiáng)。也壘說(shuō)明我國(guó)吸建筑結(jié)構(gòu)食的彈塑性筑分析時(shí)，研鋼筋混凝推土框架老柱旱P馬M還相關(guān)鉸屈最服承載力摩按我國(guó)規(guī)學(xué)范計(jì)算是汽符合實(shí)際賄情況的也屆是合理的限。乖2連、美國(guó)規(guī)靠范法陸與罷ANSY不S圾仿真分析甜結(jié)果比較倒現(xiàn)將兩種刷計(jì)算方法涉所得最大己屈服彎矩率與最大破賄壞壓力分辰別列表如愈下：牙6-含2惕：塑性鉸地的屈服承舞載力的美浪國(guó)規(guī)范法嬸與鳳ANSY大S蒼仿真分析膜結(jié)果飼計(jì)算方法仔Muma虜x損Numa促x紀(jì)性能目標(biāo)虎限值標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)美國(guó)規(guī)范曉4228翁.04醋1977涌1.84堡/答ANSY水S糖4722珍.58哥2078包0.23幻勾FEMA才356蘆比值偏-10.剖47%浪-4.8晶5%嶄從上表可剛以看出，征塑性鉸的拐最大屈服逆彎矩，按抽美國(guó)規(guī)范偽的計(jì)算結(jié)偷果叮與靠ANSY械S雜仿真分析境結(jié)果差值晃在至10均%起以上?？烧桃?jiàn)美國(guó)規(guī)肥范并不適豪合我國(guó)材激料的實(shí)際槐情況。陰3尺、儲(chǔ)SAP2主00避0含自動(dòng)鉸與拜規(guī)范鉸的欠比較緩現(xiàn)將兩種踩計(jì)算方法肢所得最大依屈服彎矩貌與最大破中壞壓力分鼓別列表如滾下：竿計(jì)算方法扣Muma僚x淘Numa遵x偶性能目標(biāo)物限值標(biāo)準(zhǔn)面我國(guó)規(guī)范袋4686摘.31陜2084弄1.13療/炸ANSY迷S松4722鳥(niǎo).58梨2078息0.23縱FEMA麥356熱比值趕-0.7榆7%喬0.29花%蓬從上表可證以看出，烘雖然兩者背性能目標(biāo)技限值標(biāo)準(zhǔn)汗不同，但茫塑性鉸的眠最大屈服粘承載力結(jié)萄果非常接罪近，但值雖得注意的激是，最大餃破壞壓力廉相差雖然野只有鵝0.29度%俯，但是述，舟FEMA念35患