（工程力学专业论文）高强混凝土构件的延性研究.pdf

高强混凝土构件的延性研究 学科：工程力学 研究生签字：影己舟j 寸r 惹 指导教师签字：毒爱沁 摘要 本文首先介绍了高强混凝土的应用与发展，总结了高强混凝土的优缺点。分析了影响 高强钢筋混凝土梁柱构件延性的主要因素，重点分析了配筋率、箍筋体积率、保护层厚度 等因素对高强混凝土构件延性的影响。 通过查阅资料总结分析当前国内外普遍采用的本构关系，考虑箍筋对混凝土的影响， 采用考虑箍筋作用下的本构关系。重点通过所选本构关系进行数学推导，推导曲率延性系 数与配筋率、箍筋体积率、保护层厚度之间的关系，得出初步结论及之间的曲线关系。 在有限单元法的基础上，使用a n s y s 软件对高强混凝土梁、柱进行非线性模拟。对 于本文要说明配箍率、箍筋体积率、保护层厚度等因素对高强混凝土延性的影响，主要通 过高混凝土梁柱构件裂缝的产生过程和构件变形，来说明因素对延性的影响。具体是通过 同一荷载不同荷载子步裂缝的不同来对比，说明因素对延性的影响。并通过输出裂缝变化 图和构件变形图得出模拟结论。 通过模拟和理论推导对比，得出以下结论： 1 ) 保护层厚度越大，高强混凝土构件的延性越差，减少保护层厚度，既可以在一定 程度上加强构件的延性，也可以减少混凝土的用量，可以取得良好的经济效益。但保护层 厚度有一个最小厚度，只要在此基础上尽可能减少厚度。 2 ) 纵筋是构件的主要钢筋，配筋率的大小直接影响构件的承载力和延性能力。通过 本文的研究，在保证承载力的情况下，随着受拉筋配筋率的增大，构件的延性能力是减弱 的；随着受压钢筋配筋率增大，构件的延性能力是增强的。因此，应尽量减少受拉钢筋配 筋率，在经济允许的情况下，适当的增加受压钢筋配筋率，以增强构件的延性能力。 3 ) 箍筋对构件作用也非常大，保证了构件的稳定性和整体性，本文研究结果表明， 箍筋体积率越大，构件的延性能力越好，越能最大发挥它的材料性能。因此，为了确保构 件的延性能力，可适当加大箍筋体积率。 关键词：高强混凝土，延性系数，箍筋体积率，纵筋配筋率，保护层厚 d u c t i l i t yo fh i g hs t r e n g t hc o n c r e t ec o m p o n e n t sr e s e a r c h d i s c i p l i n e ：m e c h a n i c se n g i n e e r i n g s t u d e n ts i g n a t u r e ：帆仰7 吁 s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ：州训j ，- a b s t r a c t f i r s t l y , t l l i sa r t i c l ei n t r o d u c e dt h ea p p l i c a t i o no fh i g h - s t r e n g t hc o n c r e t ea n dd e v e l o p m e n t , s u m m e du pt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fh i g h - s t r e n g t hc o n c r e t e a n a l y s i s s i n gt h e m a i nf a c t o r so fi n f l u e n c ef o rh i g hs t r e n g t hc o n c r e t ed u c t i l i t y , i tf o c u so na n a l y s i s s i n gt h e r e i n f o r c e m e n tr a t i o 、s t i r r u pv o l u m er a t i o 、t h ep r o t e c t i o no fl a y e rt h i c k n e s sa n do t h e rf a c t o r st h a t i m p a c tt h ed u c t i l i t yo fh i g h - s t r e n g t hc o n c r e t e a c c e s s i n gt oi n f o r m a t i o n 缸o u g ht h ea n a l y s i so ft h ec u r r e n tc o m m o n l yu s e dc o n s t i t u t i v e r e l a t i o n sa th o m ea n da b r o a d , c o n s i d e r i n gt h ee f f e c t so fs t i r r u p so fc o n c r e t eu s e dt oc o n s i d e r t h er o l eo ft h ec o n s t i t u t i v er e l a t i o ns t i r r u p s f o c u s s i n go nt h ea d o p t i o no ft h es e l e c t e d c o n s t i t u t i v em a t h e m a t i c a ld e r i v a t i o n , d e r i v e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc u r v a t u 托d u c t i l i t y c o e f f i c i e n ta n df a c t o r st h a ta r ch o o pr a mo fr e i n f o r c e m e n tr a t i o ，s t i r r u pv o l u m er a t i oa n dt h e p r o t e c t i o no fl a y e rt h i c k n e s s ，c o m i n gt ot h ep r e l i m i n a r yc o n c l u s i o nd r a w nr e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h ec u r v e s i nt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o db 鹊i i l go nt h eu s eo fa n s y ss o f t w a r e ，i ts i m u l a t e sb e a m s a n dc o l u m n so fh i g h - s t r e n g t hc o n c r e t ei nn o n l i n e a rs i m u l a t i o n f o rt h i sa r t i c l et os h o w r e i n f o 陀e m e n tr a t i o ，s t i r r u pv o l u m er a t i o , t h ep r o t e c t i o no fl a y e rt h i c k n e s sa n do t h e rf a c t o r so n t h ei m p a c to fh i g h - s t r e n g t hc o n c r e t ed u c t i l i t y , p r i m a r i l yb yt h ee m e r g e n c eo fh i g hc o n c r e t e c r a c k sd e f o r m a t i o np r o c e s sa n dt op r o v et h a tt h ev a r i o u sf a c t o r so nt h ei m p a c to fw o r d sa n d d e e d s s p e c i f i cs t e p - b y - s t e pt h r o u g ht h ed i f f e r e n tl o a d sa tt h es a m et i m et oc o m p a r et h e d i f f e r e n tc r a c k st oi l l u s 心a t et h ei m p a c to ff a c t o r so i lt h ed u c t i l i t y c h a n g e si nt h eo u t p u tm a p t h r o u g ht h ec r a c k sa n dd e f o r m a t i o ns i m u l a t i o nc o n c l u s i o n sd r a w nm a p ，a n dd e r i v e dt h er e s u l t s o fc o m p a r i s o nt od r a wt h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s 1 ) p r o t e c t i v el a y e rt h i c k n e s si sb i g g e r , t h ed u c t i l i t yo fc o n c r e t ec o m p o n e n td u c t i l i t yi sw o r s e r e d u c i n gt h ep r o t e c t o rt h i c k n e s st oa c e r t a i ne x t e n t , n o to n l yi tm a yr e d u c et h ec o n c r e t et h e a m o u n t 嘲o b t a i nt h eg o o de c o n o m i ce f f i c i e n c y b u tp r o t e c t o rt h i c k n e s sh a sas m a l l e s t t h i c k n e s s ，s ol o n ga sr e d u c c i n gt h i c k n e s s a sf a ra sp o s f i b l ei nt h i sf o u n d a t i o n 2 ) l o n g i t u d i n a lr e i n f o r c e m e n ti st h ec o m p o n e n tm a i ns t e e lb a r , t h er a t i oo fr e i n f o r c e m e n t a f f e c t st h ec o m p o n e n tt h es u p p o r t i n gc a p a c i t ya n dt h ed u c t i l i t ya b i l i t yd i r e c t l y t h r o u g ht h i s a r t i c l er e s e a r c h , i nt h es i t u a t i o no fe n s u r i n gs u p p o r tc a p a c i t y , w i t hi n c r e a s i n g r a t i oo f r e i n f o r c e m e n te n l a r g e m e n t , i t ss c o m p o n e n td u c t i l i t ya b i l i t yi sw e a k e n ；i n c r e a s i n ga l o n gw i 也 t h ec o m p r e s s i o ns t e e lr a t i oo fr e i n f o r c e m e n t , c o m p o n e n td u c t i l i t ya b i l i t ye n h a n c e s t h e r e f o r e ，i t r e d u c e st h et e n s i l er e i n f o r c e m e n tr a t i oo fr e i n f o r c e m e n ta sf a ra sp o s s i b l e , i nt h ee c o n o m i c a l p e r m i s s i o ns i t u a t i o n i n c r e a s i n gc o m p r e s s i o ns t e e lr a t i oo fr e i n f o r c e m e n ts u i t a b l e l y , i te n h a n c e s t h ec o m p o n e n td u c t i l i t ya b i l i t y 3 ) t h es t i r r u pw a sa l s oi m p o r t a n tf o rc o m p o n e n t ，i th a dg u a r a n t e e dt h ec o m p o n e n ts t a b i l i t y a n dt h ei n t e g r i t y t h i sa r t i c l ei n d i c a t e dt h a tt h es t i r r u pv o l u m er a t ew a sb i g g e r c o m p o n e n t d u c t i l i t ya b i l i t yw a s b e t t e r i tc o u l dd i s p l a yi t sm a t e r i a lp e r f o r m a n c eg r e a t l y t h e r e f o r e ，i no r d e r t og u a r a n t e 圮d u c t i l i t ya b i l i t yo ft h ec o m p o n e n t , i tm a ye n l a r g et h es t i r r u pv o l u m er a t es u i t a b l y k e yw o r d s ：h i g h - s t r e n g t hc o n c r e t e ，d u c t i l i t yc o e f f i c i e n t , s t i r r u pv o l u m er a t i o ，l o n 百t u d 砌 r e i n f o r c e m e n tr a t i o ，p r o t e c t i v el a y e rt h i c k n e s s 主要符号表 名称 圆柱体 保护层厚度 截面高度 截面有效高度 钢筋弹性变形模量与混凝土弹性变形模量 箍筋体积率 延性系数 截面宽度 纵向受拉钢筋面积 纵向受拉配筋率 钢筋屈服强度 钢筋弹性变形模量 混凝土极限应变 箍筋屈服强度 混凝土的应变 混凝土的棱柱体抗压强度 考虑矩形箍筋约束效果的修正系数 箍筋间距 纵向受压钢筋面积 c h办矿b以h巨厶巳z k s p 学位论文知识产权声明 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 学位论文工作的知识产权属于西安工业大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工作成 果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工业大学。大学有权保留送交的 学位论文的复印件，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 学位论文作者签名：灾舁寻毫 指导教师签名：3 譬肜 日期：口吵午占宵7 目 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师 指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的成果，不包含本人已申请学位或他人 已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：武叼壳 指导教师签名： l 墨比 日期： ；。口芦年s 目- i 习 6 1 1 绪论 1 绪论 1 1 高强混凝土延性研究的意义 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，倍受工程设计人员的青睐与关注，扩展了混凝土的应用范围。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，对它进行 研究具有重要意义。 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。延性设计主要是为了增加结构的安全储备，加强建筑物的整 体稳定性。主要思路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。在反复的荷载的作用下，结构的变形能力尤为重要，需要建筑物要有很强的延 性能来抵抗平衡对建有害的改变；在偶然超荷载的作用下，结构可能要承受很大的变形， 这就意味着结构要有足够的安全储备( 延性能力) 才能维持结构的完整性和使用性，尤其 是在地震作用下，由于地震作用的偶然性和不完全预测性，对人民的生命和财产带来了巨 大威胁和毁坏，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。 采用高强混凝土延性的设计方法对混凝土结构进行设计具有重要意义： 1 ) 从建筑安全性考虑：采用延性的设计方法可以利用变形来吸收对建筑不利的能量 侵袭，特别是地震作用，来保证建筑物的正常使用。采用高强混凝土可以减轻建筑物的自 重，减少偶然荷载作用时的惯性力，特别是地震作用，从而使建筑物满足正常使用功能。 2 ) 从建筑经济方面来说，采用高强混凝土同比之下可以减小截面尺寸可以节省材料， 使建筑的造价降低；采用延性设计方法可以使材料的极限状态从弹性极限到塑性极限的飞 跃，使得材料的使用得到充分的发挥，钢筋的良好延性的性质得到利用，材料的使用率得 到了提高，极大的避免了材料的浪费，收到了良好的经济效益。 3 ) 从建筑使用方面来说，采用高强混凝土粱柱的尺寸减小了，跨度增大了，使建筑 空间增大，使建筑的使用面积增大，可以减小层高得到同等的空间，可以避免大柱子的犄 角使建筑通透采光率提高；采用延性的设计方法使这一优点得到了强化。 1 2 高强混凝土的应用与发展及其延性研究现状 随着高强混凝土的应用与发展，高强混凝土延性与研究也有了突破性进展，主要针对 高强混凝土延性差的特点进行研究，采取各种措施来提高高强混凝土的延性。 西安工业大学硕士学位论文 1 2 1 国内外高强混凝土的应用与发展现状 现代高强混凝土适应了工程结构向大跨、高耸、重载方向发展，和境条件的需要，已 被用于多高层建筑、桥梁、港口海洋工程、地下工程工程领域并取得重大效益。大量应用 高强混凝土的工程对象是高层建筑。利用高强混凝土的高模量等特点，可以大幅度缩减高 层建筑底层强柱的截面并增加建筑使用扩大建筑物的柱网间距并改善建筑使用功能，统一 柱子的模板规格、减用量、加快模板周转并缩短施工工期f l - - 6 1 。高强混凝土动摇了钢结构 在超高统治地位，现在世界上最高的房屋建筑已让位于钢筋混凝土结构，位于基隆坡的 c i t yc e n t e r ，这一双塔大厦高4 5 0 m ，底层受压构件用c 8 0 高强钢筋混凝土房屋建筑中， 混凝土强度等级最高的一幢仍是美国芝加哥的w a c k e 大厦，高2 9 5 m ，7 1 层，底层柱的混 凝土设计强度相当于我国的后张预应力楼层也用了c 7 0 - - c 6 0 级的高强混凝土。在桥梁结 中采用高强混凝土具有更大的潜力，高强混凝土能有效结构自重( 大跨桥梁中，自重可占 总荷载的6 0 ) 和提高结构刚度，有跨、减少桥墩，或者缩小结构的截面高度，增加桥下 挣空。但更为重要加桥梁的使用寿命，降低平时的维修费用。对于许多工程尤其是基础设 施高强混凝土的耐久性比起它的强度具有更重要的意义。高强混凝土在城路等市政设施以 及受有侵蚀物质作用的车库、贮罐等构筑物中也有着广泛的应用前景。对于工厂生产的预 制构件，曾是最早出现的低坍落度高强混凝土，度的现代高强混凝土也取而代之，因为它 不仅能够降低振捣所需的能耗，设备的使用期限，并且带来更高的生产效率。 我国高强混凝土应用早在2 0 世纪7 0 年代初就开始了对现代高强混凝土( 掺加高效减 水剂的高强混凝土) 的研究。1 9 8 0 年后，清华大学土木工程系和海军工程设计局成功地将 塌落度为1 5 c m 的c 7 0 c 7 5 高强混凝土用于大型拱型防护门工程与此同时，铁道部门也 在湘桂复线红水河斜拉桥的三跨预应力箱型大梁中使用了塌落度为1 0 - 1 4 c m 的c 6 0 c 6 5 级高强混凝土竣工于1 9 8 8 年的沈阳辽宁工业技术交流馆是国内最早应用现浇高强混凝 土的高层建筑，总高6 2 米，下部1 2 层柱子采用c 6 0 混凝土，比原设计的c 3 0 混凝土方 案减少柱子截面5 6 不仅节约了费用，也增加了使用面积，美化了建筑效果。从总体来 看，高强混凝土在我国的应用仍不够广泛，混凝土等级还较低。 德国钢筋混凝土协会于1 9 9 5 年颁布的高强混凝土指南，最高强度达到了c 1 1 5 ， 是目前国际上强度等级最高的技术标准。挪威在高强混凝土研究方面也走在世界前列，于 1 9 9 5 年颁布的混凝土结构设计标准( n s 3 4 7 3 ) 中使用的混凝土最高达到了c 1 0 5 。他 们对高强混凝土应用也比较广一点，19 9 8 年挪威建成的世界上最深的钻井平台挪威 t r o l l 平台使用立方体抗压强度超过1 0 0 m p a 的超高强混凝土。为了提高公路的耐磨性， 北欧国家的许多高速公路也采用高强混凝土，抗压强度达到1 3 5 m p a 。在建筑工程中，加 拿大1 9 8 3 年建造的特利亚l a l a n r e t i e n n e 高层建筑，采用1 2 0 m p a 超高强混凝土；1 9 8 9 年美国西雅图太平洋第一中心使用了1 3 0 m p a 的混凝土。此外，超高强混凝土还运用于核 电站冷却塔及安全壳、大跨桥梁、地下隧道等。 2 1 绪论 1 2 2 国内外混凝土延性研究现状 我国对混凝土的延性研究也进行了大量的理论研究和工程实践，对我国采用延性的设 计方法对高强混凝土构件设计提供了一些理论依据和参考。1 9 9 4 年，何健在在多层及 高层建筑结构初步设计中延性柱设计的实用方法p 】中着重从剪跨比和轴压比两个因素对 柱延性的影响进行研究，提出了在柱设计实用方法。1 9 9 9 年，吴庆保证钢筋混凝土框 架结构抗震设计有足够的延性嗍一文中，重点分析了要保证结构要有足够延性，应该采 取构造措施，对延性进行了构造上分析。2 0 0 0 年，李升才在 高层建筑混凝土结构的延 性问题t 9 3 e p 阐述了从强柱弱梁和轴压比两个方面保证混凝土结构的延性。丁毅在 钢材 在钢筋混凝结构中对延性的影响 1 0 1 中分析了从钢筋级别、屈强比对结构延性的影响， 才能发挥钢材良好延性的性能。以上的是对普通混凝土延性的分析与研究，对预应力混凝 土及高强混凝土构件延性研究也有一些，尤其是对高强混凝土的各种构件的延性进行了一 些研究，虽然高强混凝土结构设计现在统一理论可依，有些研究中已经根据普通混凝土现 有成熟理论对高强混凝土延性进行了研究，赵成文在 【l l 】中分析了影响高强混凝土延性的因素，对高强混凝土的延性进行了非线性分析， 推导了延性系数与轴压比之间的关系的具体公式，着重从轴压比对延性控制与把握。对高 强混凝土的延性设计的发展趋势也进行了探索，在许多研究中指出“加强量化，重视构造 设计”，比如南喜涛钢筋混凝土框架的延性设计新发展0 2 也阐明了混凝土延性设计发 展趋向于强化量化，强化变形。 国外许多学者也进行了深入研究，p e n d y a l a 等( 1 9 9 6 ) 、s h i n 等( 1 9 8 9 ) 和a s h o u r ( 2 0 0 0 ) 都研究了混凝土强度等级和纵筋配筋率对高强混凝土梁受力和变形性能的影响。普遍认为 混凝土等级越高其脆性越表现越强烈延性越差；当纵筋屈曲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为明显。纵筋屈曲越晚，构件的延性越好。纵 筋屈曲时的应变，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。许多国的延性设计已经趋于量化比如新西兰和美国、欧洲各国。u 3 j 1 ) 新西兰延性设计的思路是耗能机构宜采用符合塑性力学中的“理想梁铰机构”，即梁 端全部形成塑性铰，同时底层柱底也都形成塑性铰的“全结构塑性机构”。其具体做法是通 过结构分析得到各构件组合内力值后，对梁端截面就按组合弯矩进行截面设计；而对除底 层柱底以外的柱截面，则用人为增大了以后的组合弯矩和组合轴力进行设计；对底层柱底 截面则用增大幅度较小的组合弯矩和组合轴力进行截面设计。通过这一做法实现在大震下 的较大塑性变形中，梁端塑性铰形成的较为普遍，底层柱底塑性铰出现迟于梁端塑性铰， 而其余所有的柱截面不出现塑性铰，最终形成“理想梁铰机构”。 2 ) 美国、欧共体延性设计的思路是只在一定程度上人为增大柱的抗弯能力。从总体 上说，柱端虽然与梁端相比较强，但在较强和很强的地震引起的动力反应过程中柱端仍有 可能进入屈服，只不过梁端出现的塑性铰较多，较早，塑性转动较大，柱端塑性铰则出现 得相对较迟、塑性铰转动相对较小。只要较严地控制柱的轴压比，并加强对柱端塑性铰 3 西安工业大学硕士学位论文 区的约束，就能使柱端具备所需的不十分苛刻的塑性转动能力( 延性能力) ，而不致压溃【1 l 】。 1 3 本文研究主要工作与重点 1 3 1 本文研究主要工作 1 ) 对影响高强混凝土延性性能的因素进行深入的分析与研究，总结已有的混凝土结 构及构件延性设计的方法，以及分析高强混凝土的优劣性，并对高强钢筋混凝土梁柱的延 性进行深入分析。 2 ) 轴压比，剪跨比，混凝土强度，钢筋等级，混凝土保护层厚度，配箍率，配筋率， 约束程度等因素对钢筋混土构件的延性有很大影响，目前的理论与设计只是停留在对弹性 设计方法的修正与加强构造措施上，没有很明确的理论依据和可效的尺度进行把握与控 制。本课题主要在理论上对高强混凝土延性系数进行推导。 3 ) 影响钢筋混凝土梁柱的因素很多，本课题主要研究保护层厚度对高强钢筋混凝土 梁柱延性的影响，以及配箍率对高强混凝土柱的影响，配筋率对高强混凝土梁柱的延性影 响，建立保护层厚度、配箍率与高强混凝土梁系数之间的关系表达式。 4 ) 利用分析软件对对高强钢筋混凝土梁柱受力及变形进行模拟实验，从而得到相关 的数据与分析结果，从结果中分析配筋率，配箍率，保护层厚度对延性的影响，进行总结。 1 3 2 本文研究主要工作重点 1 ) 参考已经成熟的混凝土本构关系，推导计算高强钢筋混凝土柱延性系数的表达式， 根据保护层厚度、配筋率，箍筋体积率对高强混凝土柱延性的影响，通过推导计算建立它 们之间的关系。 2 ) 参考已经成熟的混凝土本构关系，推导计算高强钢筋混凝土梁延性系数的表达式， 根据保护层厚度、配筋率，箍筋体积率对高强混凝土梁延性的影响，通过推导计算建立它 们之间的关系。 3 ) 运用a n s y s 分析软件对高强钢筋混凝土梁柱的变形裂缝进行模拟。 4 2 高强混凝土的特点及其影响延性的因素 2 高强混凝土的特点及其影响延性的因素 2 1 高强混凝土的特点 随着建筑物高度和跨度的不断增大，高强混凝土应用于实际工程，并取得了良好经济、 社会效益，因为其有着良好的性能特点。但是延性差又是其致命的缺点，阻碍高强混凝土 的推广与应用。 2 1 1 高强混凝土的力学性能 1 ) 强度发展规律：高强混凝土早期强度发展很快，其3 天强度可达到2 8 天强度的 6 0 - - 7 5 ，7 天强度可达到2 8 天强度的8 3 8 7 ；后期强度增长仅比普通混凝土略差1 1 仁”l 。 2 ) 单轴受压应力应变曲线：高强混凝土应力应变的上升段和下降段都比较陡，极限 压应变比普通混凝土的小。随着强度的提高，应力应变曲线上升段的线段关系保持越来越 高的应力水平，一般达到最大应力的7 0 左右。 3 ) 尺寸效应：高强混凝土边宽l o c m 的立方体强度换算成边宽1 5 c m 的立方体强度时， 其换算系数小于普通混凝土的0 9 5 。 4 ) 棱柱体抗压强度：高强混凝土棱柱体强度与圆柱体强度的比值高于普通混凝土的 o 7 6 ，对6 0 - 8 0 m p a 的高强混凝土可取z = 0 8 无。 5 ) 劈拉强度与抗折强度：高强混凝土的劈拉强度为抗压强度的1 2 0 - 1 1 5 ，轴拉强度 为抗压强度的1 2 4 1 2 0 ，抗折强度为抗压强度的1 1 4 1 8 。而普通混凝土的劈拉强度为抗 压强度的1 1 3 1 1 0 ，抗折强度为抗压强度的1 8 1 5 。说明高强混凝土的抗压强度随强度 提高的速率远比抗拉强度随强度提高的速率快。 6 ) 弹性模量：高强混凝土的弹性模量比普通混凝土大。 2 1 2 高强混凝土的物理性能 1 ) 收缩性能：高强混凝土的收缩率远比普通混凝土小，而掺加了高效减水剂的高强混 凝土几收缩率更小。 2 ) 徐变性能：高强混凝土的徐变和徐变系数均较小，而初始弹性模量又较高，这对施 加预应力和减少徐变引起的预应力损失有利 3 1 。 3 ) 抗冻融性能：掺加了高效减水剂的高强棍凝土的容重比普通混凝土大，说明密实性 较好，故其抗冻融性能也明显优于普通混凝土。 4 ) 抗渗性能：由于密实性好，高强混凝土的抗渗性能比普通混凝土好很多。 2 1 3 高强混凝土的缺点 众所周知，随着混凝土强度的提高，混凝土材料破坏时将越来越呈现明显的脆性性质， 5 西安工业大学硕士学位论文 高强混凝土的破坏与普通混凝土相比，最明显的区别就是表现出更大的脆性，试验发现， 高强混凝土标准棱柱体均匀受压构件的开裂强度大于o 7 倍的峰值强度，普通混凝土的开 裂强度约为0 4 倍峰值强度，而且裂缝的开展、贯通要比高强混凝土缓慢得多，这说明高 强混凝土受压时呈高脆性，抗震性能较普通混凝土差。高强混凝土虽然在工程中得到了越 来越广泛的应用，但同时我们也应该看到高强混凝土构件延性较差、破坏突然等特点，严 重阻碍了高强混凝土结构在地震区的推广应用。 2 2 影响延性的因素 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。根据试验资 料，在相同的剪跨比下，高强混凝土柱的抗震性能主要由配箍率及轴压比控制，由于高强 混凝土受压时横向变形小，箍筋对混凝土性能的影响较小，而主要由轴压比控制，尤其在 高轴压比的条件下，因此，如何进一步推广高强混凝土的应用，是一个丞待解决的问题。 1 ) 轴压比的影响 轴压比是影响压弯构件延性诸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f l 】。在高轴压比的情况下，配箍 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g b j i i 8 9 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2 m 2 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： 乱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： 气= 0 0 0 3 3 0 0 0 1 5 n ( 2 1 ) ， 式中：n 为轴压比；刀= 荡矛 6 2 高强混凝土的特点及其影响延性的因素 当轴压比为1 时，即轴心受压构件毛= 0 0 0 2 ； 当轴压比为o 时，即为受弯构件毛= o 0 0 3 3 ： b 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 预压应变乞，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，乞= o ，此时截面的极限曲率为： 纯= 景 ( 2 2 ) 当轴压比不为0 时，乞o 时，截面的极限曲率为： 纯= j 产 ( 2 3 ) 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【2 孓2 6 】 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 剪跨比允= 彘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，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n 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，箍筋也多为级以上的钢筋。 6 ) 保护层的厚度的影响 约束混凝上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 西安工业大学硕士学位论文 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【2 孓一2 6 】。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，反映在荷载一变形曲线上使滞回环产生捏缩现象，即 所谓的p i n c h 效应。所以在抗震中不宜采用光圆钢筋作受力筋。 2 3 提高延性一般采用的措施 2 3 1 结构形式 梁铰机制以梁铰为主，有利于发挥梁的良好塑性转动能力，柱原则上不出现塑性铰， 保护塑性变形能力不如梁的框架柱。在钢筋混凝土结构中，竖向构件柱和墙在除去底层 墙、柱之外的所有楼层中都基本上保持弹性不屈服【2 7 删。在底层墙、柱的底部部位允许 以这些竖向构件稳定的、得到控制的塑性铰或土壤变形和基础构件在地基上摇动的方式形 成明显的转动。在这种条件下，运动学规律决定了非弹性侧向变形将随着建筑物中与墙或 柱相连的所有梁端的塑性铰发展而形成，并在结构中以最大可能形成一种非弹性变形所需 的最均匀分布状态。如果塑性铰大量出现在柱端，则形成柱铰机制，这种情况下塑性铰的 数目少，总的耗能能力小，在房屋侧向位移相同的情况下，柱铰机制将塑性变形集中在一 层，使该层比在梁铰机制下有大得多的塑性铰转动，这样可能导致结构某层的层问位移偏 大，形成薄弱层，容易导致房屋倒塌。现代抗震设计标准尽力设法将结构的延性需要分散 给所有的梁，并通过加强竖向构件，使竖向构件除底层底部外的其他部位均保持弹性不屈 服来避免形成薄弱层。为此，通常是把柱的抗弯能力设计得更强，同时也把整个高度的剪 力墙与其基底区相比设计得更强相对于弹性分析内力而言。柱的设计弯矩是在设计地震作 用的结构线弹性分析结果基础上适当人为增大得到的，或者是根据同一个节点的各根梁端 实际抗弯能力还应考虑现浇板可能具有的作用进行级差系数调大导出。而框架梁端的正截 面设计是按照在设计地震作用与准永久重力荷载组合下的结构线弹性分析求得的弯矩来 进行的。 8 2 高强混凝土的特点及其影响延性的因素 2 3 2 加强梁、柱、剪力墙及节点的抗剪能力 延性设计时应避免结构在达到所需的变形或所要抵抗的弯矩之前，过早地出现脆性 剪切破坏，构件截面发生非延性失效。在框架和框架一剪力墙类结构中不发生梁、柱、 墙肢端部和剪力墙洞口连梁的先期剪切失效和梁柱节点核心区的剪切失效【2 7 捌。如果说 “强柱弱梁”措施具有全局性意义，“强剪弱弯”措施一般只有局部性质。通常是通过使构件 相应部位的抗剪能力得到一定的人为增强来实现这一要求，这应从“作用剪力”和“抗剪能 力”两个方面来综合考虑。当柱梁的级差系数较大时，柱在动力反应的过程中原则上不出 现塑性铰，柱端作用剪力只需要在设计计算所得的组合剪力值基础上，考虑塑性铰出现过 程中的内力重分布和非弹性高振型反应造成的柱端剪力增大的可能性。剪力增大的幅度通 常远没有弯矩大。只有当地震作用占比重较大或柱弯矩增大系数取值较小时，才可能在 梁、柱两端同时出现塑性铰，这时柱的设计剪力可以按梁端实配钢筋对应的屈服弯矩计 算。梁的抗剪能力计算公式一般以梁端纵筋先屈服为条件，随着预计达到的梁端非弹性转 角延性要求的增大，抗剪能力逐步下降。其中还应考虑塑性铰区在两个方向交替弯剪过 程中发生的剪切滑移的可能性和应该采取的构造措施。由于梁上下纵筋数量不一样，故 两个方向交替弯剪的作用力大小也不一样。柱端在两个交替受力方向分别形成塑性铰时， 因纵筋屈服后塑性铰区非弹性变形很大，弯曲正裂缝和斜裂缝开展更宽，混凝土的骨料咬 合作用和纵筋的销栓作用均有所削弱；更加由于剪压区混凝土在交替受力下的破碎，混 凝土剪压区的抗剪能力也进一步削弱；而且这些削弱作用都是随交替塑性变形的增大而加 重的。 2 3 3 保证出现塑性铰部位延性的构造措施 要形成耗能性良好的塑性铰侧移机构，就必须通过一系列的构造措施来保证可能出 现塑性铰的各部位在强震作用下具有足够的塑性变形能力。这就要靠精心的构造设计来实 现【2 7 - 凋。对于梁端潜在的塑性铰区，主要通过控制受拉纵筋配筋率，限制混凝土受压区高 度，布置必要的受压钢筋，以及通过箍筋约束核心混凝土和纵筋来保证其延性性质。对于 “梁柱铰混合机构”的柱端塑性铰区以及“梁铰机构”中一般都要出现的底层柱底塑性铰区， 则通过限制柱子轴压比来防止小偏压破坏，同时通过加密箍筋来加强对核心区混凝土及 纵筋的约束，保证柱子具有必要的延性性质。 9 西安工业大学硕士学位论文 3 1 引言 3 高强混凝土本构关系及延性系数推导 高强混凝土是一种离散性比较大的材料材料，内部结构非常复杂，至今还没有建立起 一个为大家公认的、能适合各种应力条件下的模型。甚至人们在试验上也还没有完全弄清 楚高强混凝土在多轴应力下的基本性能。所以说，高强混凝土有限元分析模型的关键就在 于正确描述高强混凝土在各种加载条件下及多轴应力状态下的基本特征，即高强混凝土在 多轴应力下的本构关系。能够适用于比例加载、非比例加载、单调加载及反复加载等各种 加载条件。关于混凝土的应力应变曲线，从上世纪早期，国内外已有许多研究，也提出了 不少理论表达式。但由于影响应力应变关系的因素很多，加上试验的不同与试验条件的差 异，因而试验结果也互有不同，所以，建立的各种表达式也各不相同。 3 2 混凝土本构关系 3 2 1 单轴受压本构关系 1 ) 过镇海单向受压下的应力应变关系 高强混凝土受压应力应变全曲线也满足普通混凝土全曲线的全部几何条件，因而也 可以