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学习笔记 | 砼承载能力极限状态计算——改进可能

结构先声  · 公众号  ·  · 2024-09-10 17:00

正文



上期文章讨论了74《砼规》与89《混规》正截面承载力计算方法中所采用的假定,得到如下结论:

1、现行钢筋混凝土正截面计算方法存在较多前提假定;

2、除明示前提假定外,钢筋混凝土正截面计算方法中存在默认前提假定;

3、从前提假定出发,可以实现钢筋混凝土正截面承载力计算方法进步。


本期文章讨论钢筋混凝土承载力计算假定的必要性、影响范围与突破可能性。


计算假定的必要性与难以改进

为简化问题,钢筋混凝土正截面计算方法需要前提假定,文献2、4对采用相关前提假定的原因与影响大小做了详细说明。可以看出,依据当时的技术进展,89《混规》通过突破74《砼规》前提假定实现了正截面承载力计算方法的进步。那么,近年来行业又积累了众多科研成果,计算技术也发生了翻天覆地的变化,我们是否能从前提假定再出发,实现钢筋混凝土承载力计算方法的继续进步?答案既是肯定的,同时也并非易事。

现行承载力计算方法已被广泛应用超过35年,国内钢筋混凝土结构多数均采用该方法得到计算结果。任何方法上的变化,无论是否理论与试验根据充分,均会导致如下疑问:

1、应用这么多年了,经历了众多地震等外界作用考验,没发现现行承载力计算方法产生太大的问题啊?

2、若改变承载力计算方法的前提假定,现有结构是否需要大面积加固改造?

3、钢筋混凝土结构本来就算不清楚,没必要在承载力计算方法上太较真吧?


计算假定的影响

是否从前提假定再出发,改进现有钢筋混凝土承载力计算方法,需要首先明确计算假定的影响大小与改进可行性。

1、平截面假定仍可沿用

文献4明确指出:大量试验证明,构件在正截面破坏区段,其平均应变基本保持平面;引入该假定可较完善地建立正截面承载力计算体系,并可获得足够精度的计算结果。

通过大量压弯构件试验与基于平截面假定的计算分析对比可以看出,二者结果拟合较好,因此对于多数钢筋混凝土构件,平截面假定仍可继续沿用。

2、不考虑混凝土的抗拉强度影响不大

混凝土抗拉强度大概为其抗压强度的1/10左右,因此不考虑混凝土的抗拉强度对正截面承载力计算结果影响不大。但是,我们在之前的文章中讨论过,由于混凝土实际存在抗拉强度,当钢筋混凝土构件承受拉力达到临界值时,构件中混凝土所受拉应力将突然消失,导致钢筋应力突增,易引起钢筋混凝土构件受拉脆断。

虽然正截面承载力计算时可不考虑混凝土的抗拉强度,但在确定钢筋混凝土构件最小配筋率时,建议为避免出现受拉脆断现象应适当提高现行标准中的最小配筋率限值(现行规范最小配筋率限值偏小)。

3、应鼓励采用精细的混凝土受压应力-应变曲线

文献1~6中已明确说明正截面承载力计算时,采用简化混凝土受压应力-应变曲线的原因、等效方法及相关参数取值。通过简化混凝土受压应力-应变曲线,将受压应变在0.2%~0.33%等效为理想塑性,钢筋混凝土构件受压区范围内的压应力因此呈矩形分布,可很大程度上降低正截面承载力计算方法的复杂性。

通过以前文章的算例分析可以看出,采用简化混凝土受压应力-应变曲线得到的承载力相比精细模型可能产生大于5%的偏差,且偏于保守或不安全无法预知。随着计算技术的进步,钢筋混凝土构件承载力计算绝大多数情况下已采用电算完成,因此继续采用简化模型已无必要性,应鼓励采用精细混凝土受压应力-应变曲线进行正截面承载力计算。

4、纵向受拉钢筋的极限拉应变规定影响不大

通过对大量震害现象的观察可以看出,多数钢筋混凝土构件达到极限承载力时,纵筋并未出现达到受拉屈服并产生较大受拉应变情况,因此纵向受拉钢筋的极限拉应变采用0.01的假定对构件实际承载力影响不大。

5、应考虑纵筋受压可能屈曲

实际震害存在纵筋受压屈曲现象,如下图所示,主要原因是箍筋间距过大引起。现行标准中给出了箍筋加密等构造措施,可一定程度上避免纵筋受压屈曲现象,但对未箍筋加密构件进行正截面承载力计算时,应采用考虑箍筋间距影响的纵向钢筋本构模型,避免夸大正截面承载力。



6、可考虑套箍作用对正截面承载力的增强

钢筋混凝土构件承载力计算被人为区分为正截面承载力计算与斜截面承载力计算,而实际承载力并非简单割裂,箍筋除提供抗剪承载力外,对正截面承载力也同样发挥作用。由于套箍作用,核心混凝土处于一定程度三向受压状态,可提高正截面承载力,建议正截面承载力计算时可普遍采用与间接钢筋类似的考虑套箍作用的混凝土应力-应变本构模型。

7、设计内力与承载力物理意义差异影响

这一点至关重要,却未被普遍重视,包括如下几个问题:

(1) 基于线弹性假定所得内力,其物理意义与承载力并不相同。基于试验确定的构件承载力体现了材料的真实非线性状态,其荷载-位移关系为曲线形式,承载力达到极限后将不会再增高;而基于线弹性假定所得内力并非构件真实受力状态,内力达到一定数值后就会产生偏离,与构件承载力并不对应。

(2) 调整后内力可能超出构件真实极限承载力。通过恒、活、风及地震等外界作用得到构件单工况内力,通过分项系数、内力调整等计算措施及构造措施得到构件设计内力,由于部分内力调整系数较大,且调整系数多为联乘关系,所以构件设计内力存在超出构件真实承载力的可能性。

(3) 设计内力与承载力物理意义差异导致配筋结果偏差。基于线弹性假定并经过调整得到构件内力,基于试验考虑真实材料非线性得到构件承载力,根据二者所得构件配筋结果将不同程度上产生偏差。调整后的构件内力越大,与真实承载力偏差就越大,易造成正截面承载力计算所得构件纵筋面积偏大,低估混凝土构件截面尺寸。实际震害时,压弯构件破坏以混凝土破碎为主,极少出现构件纵筋受拉屈服现象,是否与此原因密切相关值得深入研究。



计算假定突破可能性

突破现有计算前提假定的技术基础:

1、电算已全面替代手算

工程界已普遍实现通过计算机进行钢筋混凝土构件承载力计算,所以取消为简化问题所采用的承载力计算假定已完全可行。

2、非线性分析技术获得长足发展

由于计算机软、硬件的进步,结构非线性分析技术近年来获得长足发展,从线弹性设计过渡到非线性设计只是时间问题。如何基于非线性分析结果实现构件承载力与延性设计仍需深入的科研工作。

3、《通规》推动产学研良性发展

科研成果只有尽快被应用于工程实践才有价值,才能形成产学研的良性互动。《通规》的发布实施从根本上打破了工程领域的“唯规范论”,有利于推动标准规范快速进步与新科研成果落地。


总结

本文讨论了现有钢筋混凝土构件正截面承载力计算假定的必要性、影响范围与突破可能性,可以得到如下结论:

1、现有钢筋混凝土构件正截面承载力计算假定的必要性值得深入反思与研究;

2、部分前提假定,尤其是隐含的前提假定对钢筋混凝土构件正截面承载力计算结果影响较大,易造成设计结果产生一定偏差;

3、随着计算机技术与行业技术进步,部分钢筋混凝土构件承载力计算假定已可突破,并可籍此得到更高质量的钢筋混凝土结构设计结果。


参考文献:

[1] GBJ 10-89 钢筋混凝土结构设计规范 [S]. 北京:中国建筑工业出版社,1989.

[2] GBJ 10-89 钢筋混凝土结构设计规范 条文说明 [S]. 北京:中国建筑工业出版社,1989.

[3] 李明顺,白生翔.钢筋砼及预应力砼结构设计方法的新进展——略论新修订的《混凝土结构设计规范》特点[J].建筑结构学报,1987,(03):1-15.

[4] 白生翔.《混凝土结构设计规范》中的承载能力极限状态设计方法(上)[J].建筑科学,1989,(01):48-55.

[5] 白生翔.《混凝土结构设计规范》(GBJlO—89)简介[J].建筑技术,1990,(11):48-53.

[6] 白生翔.钢筋砼偏心受压构件按对称配筋设计的若干问题[J].建筑结构,1992,(04):3-8+42.







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