【中美规范RC剪力墙承载力和变形能力对比分析5000字（论文）】

中美规范RC剪力墙承载力和变形能力对比分析目录TOC\o"1-3"\h\u13545中美规范RC剪力墙承载力和变形能力对比分析 1325831.1中美规范材料强度换算 1148011.1.1混凝土抗压强度 1237971.1.2钢筋抗拉强度 2235991.2中美规范约束边缘构件规定对比 2168331.1.1约束边缘构件长度 2204121.1.2约束边缘构件配箍率 4287731.3中美规范剪力墙承载力计算对比 5231791.3.1剪力墙截面设计 5296691.3.2正截面承载力 7112341.3.3斜截面受剪承载力 954971.4中美规范剪力墙变形能力计算对比 1128131.4.1分析方法 1178781.4.2弹塑性变形能力对比 12已有的中美规范构件对比大多以RC梁、柱为研究对象，对于量大面广的RC剪力墙构件的对比较为缺乏。本章首先对比了中美规范RC剪力墙约束边缘构件长度和配箍率的相关规定，按照相关规定设计了3组长度不同的一字形截面RC剪力墙，研究了中美规范RC剪力墙正截面、斜截面承载力计算方法和结果的差异。通过纤维截面分析程序XTRACT进行截面分析得到M-ϕ曲线，研究了不同长度的中美规范RC剪力墙变形能力的差异。为研究中美规范RC剪力墙的设计差异、改进我国剪力墙构件的设计方法提供参考。1.1中美规范材料强度换算1.1.1混凝土抗压强度中国规范规定，混凝土的强度设计值fc由棱柱体抗压强度标准值fck除混凝土材料分项系数γc=1.40确定，而fck则是由立方体抗压强度标准值fcu,k经计算确定，对应关系如式（2-1）。（2-1）式中，αc1为棱柱体强度与立方体强度之比，C50及以下取0.76，C80取0.82，中间线性内插；αc2为脆性折减系数，C40取1.0，C80取0.87，中间线性内插。美国规范规定，混凝土强度设计值fc′为具有91%保证率的圆柱体抗压强度标准值，按混凝土强度总体分布的平均值减去1.28倍标准差的原则确定，与具有95%保证率的立方体抗压强度标准值fcu,k（用总体分布的平均值减去1.645倍标准差确定）的对应关系如式（2-2）。（2-2）式中，δfcu为混凝土变异系数，近似取0.12。综上可得，中美规范混凝土强度设计值fc与fc′的换算关系为：（2-3）1.1.2钢筋抗拉强度对于普通钢筋，中国规范取抗拉强度设计值fy；美国规范规定，当有明显的屈服点时，低合金变形钢筋和光圆钢筋的屈服强度可采用屈服点的应力或钢筋应力-应变曲线上对应于应变为0.0035时的应力fyt，近似为中国规范钢筋抗拉强度标准值，即fyt=fyk。因为fyk/fy=γs=1.10，γs为钢筋的材料分项系数，所以美国规范钢筋强度是中国规范的1.10倍。1.2中美规范约束边缘构件规定对比剪力墙在地震作用下的塑性变形能力主要受轴压比影响。清华大学及国内外研究单位的试验表明，相同条件的剪力墙，轴压比低的，其延性大，轴压比高的，其延性小[11]。因此，中美规范均在剪力墙边缘部位设置约束边缘构件，通过限定其长度及配箍率来达到提升高轴压比剪力墙塑性变形能力的目的。1.1.1约束边缘构件长度（1）中国规范GB50010-2010中国规范根据剪力墙轴压比的不同将边缘构件分为两种，分别为约束边缘构件和构造边缘构件。对于轴压比较高、延性较差的剪力墙应布置约束边缘构件，其长度lc的规定见表1.1，μN为墙肢在重力荷载代表值作用下的轴压比，hw为墙肢长度。表1.1约束边缘构件沿墙肢的长度lclc一级（9度）一级（6、7、8度）二、三级μN≤0.2μN>0.2μN≤0.3μN>0.3μN≤0.4μN>0.4暗柱0.2hw0.25hw0.15hw0.2hw0.15hw0.2hw其他0.15hw0.2hw0.10hw0.15hw0.10hw0.15hw（2）美国规范ACI318-19与中国规范类似，美国规范针对轴压比较高、墙端压应力较大（σ>0.2fc′）的剪力墙布置约束边缘构件（specialboundaryelement），其长度按式（2-4）计算：（2-4）式中：lbe为约束边缘构件沿墙肢的长度；lw为墙肢截面高度；c为截面受压区高度，如图1.1所示，根据轴压比查表得到对应的c/lw值[56]进行计算。对于轴压比较低、墙端压应力较小（σ<0.15fc′）的剪力墙，美国规范则允许仅布置普通边缘构件（ordinaryboundaryelement）或不布置边缘构件（tiesnotrequired），普通边缘构件的长度与约束边缘构件一致。图1.1美国规范约束边缘构件长度计算方法（3）约束边缘构件长度对比以轴压比μN和墙肢长度hw为变量，分析影响一字形截面RC剪力墙约束边缘构件长度的因素。为控制变量，假定剪力墙按对称配筋，墙肢长度取5m和6m，混凝土等级取C40，对比结果如图1.2。当墙肢长度hw不变时，中美剪力墙约束边缘构件长度lc随着μN的增大而增大，当μN大于0.25时，美国剪力墙的约束边缘构件长度大于中国剪力墙。当μN不变时，约束边缘构件的长度随着hw的增大而增大。（a）hw=5000mm（b）hw=6000mm图1.2不同长度剪力墙约束边缘构件长度lc与轴压比μN的关系1.1.2约束边缘构件配箍率（1）中国规范GB50010-2010中国规范规定，剪力墙约束边缘构件体积配箍率按式（2-5）计算。（2-5）式中：n1、n2为垂直于墙肢长度方向和沿墙肢长度方向的箍筋及拉筋数量；As1、As2为垂直于墙肢长度方向和沿墙肢长度方向的箍筋及拉筋单根面积；Acor为箍筋约束混凝土面积；l1、l2为垂直于墙肢长度方向和沿墙肢长度方向的箍筋约束长度；λv为约束边缘构件配箍特征值；fyv为钢筋的抗拉强度设计值。（2）美国规范ACI318-19美国规范规定，剪力墙约束边缘构件体积配箍率按式（2-6）计算。（2-6）式中：Ash为横向钢筋的面积，包含箍筋和拉筋；s为箍筋或拉筋的竖向间距；bc、bc′分别为沿墙肢宽度和长度方向的箍筋尺寸；Ag为约束边缘构件的面积，Ag=lbeb；Ach为约束边缘构件内有箍筋约束的面积，Ach=bcbc′。（3）约束边缘构件配箍率对比选用HRB400级钢筋，剪力墙截面尺寸取300mm×6000mm，以混凝土强度等级作为变量，对比结果如图1.3。通过对比可知，美国规范约束边缘构件体积配箍率明显高于中国规范，当配箍特征值λv≤0.2时，美国剪力墙的配箍率是中国剪力墙的1.5倍；当配箍特征值>0.2时，美国剪力墙的配箍率是中国剪力墙的1.5倍。图1.3中美规范约束边缘构件配箍率对比1.3中美规范剪力墙承载力计算对比1.3.1剪力墙截面设计为对比分析中美规范的剪力墙承载力，首先进行剪力墙截面设计。以文献[57]中所采用的模型作为参考，截面宽度统一取300mm，长度分别取4m、5m和6m，混凝土强度取C40，水平和竖向分布钢筋、约束边缘构件内的纵筋和箍筋都选用HRB400，按中国规范设计的剪力墙根据抗震等级的不同分为三种：一级（9度）、一级（6、7、8度）和二、三级，如图1.4~1.6所示；按美国规范设计的剪力墙如图1.7所示。由于截面均为对称配筋，只给出二分之一截面长度的配筋图。（a）hw=4m（b）hw=5m（c）hw=6m图1.4中国规范一级（9度）剪力墙截面（a）hw=4m（b）hw=5m（c）hw=6m图1.5中国规范一级（6、7、8度）剪力墙截面（a）hw=4m（b）hw=5m（c）hw=6m图1.6中国规范二、三级剪力墙截面（a）hw=4m（b）hw=5m（c）hw=6m图1.7美国规范剪力墙截面1.3.2正截面承载力（1）中国规范GB50010-2010中国规范剪力墙正截面压弯承载力按下式计算：（2-7）（2-8）（2-9）式中：As和As′分别为剪力墙端部拉压区钢筋面积；σs为剪力墙端部受拉钢筋应力；Nsw、Msw和Nc、Mc分别为剪力墙竖向分布钢筋和受压区混凝土的轴力和弯矩；hw0为剪力墙截面有效高度；as′为剪力墙受压区端部钢筋合力点到受压区边缘的距离。考虑地震设计状况时，上式右端均应除以承载力抗震调整系数γRE，γRE取0.85。（2）美国规范ACI318-19美国规范偏心受压承载力所用计算理论与中国规范相同[3]，但需在（2-7）、（2-8）两式右端乘以折减系数ϕ，见图1.8。表中，εt指名义承载力作用下，截面受拉区纵筋的极限拉应变，不包含预应力、混凝土徐变和收缩以及温度引起的应变；εty指纵筋屈服应变，一般取0.002[8]。图1.8压弯构件强度折减系数ϕ变化曲线（3）正截面承载力对比以1.3.1节中设计的剪力墙截面为例，分别根据中美规范提供的计算方法计算正截面承载力，以墙肢长度hw为变量，对比结果如图1.9，中美规范剪力墙最大抗弯承载力见表1.2。由图1.7（a）、（b）和表2可知，随着墙肢长度的增大，两国剪力墙的承载力均明显提高：当抗震等级分别为一级（9度）、一级（6、7、8度）和二、三级时，中国规范剪力墙的最大抗弯承载力分别提高了1.55倍、1.56倍和1.59倍；美国规范剪力墙的最大抗弯承载力提高了1.19倍。整体而言，美国规范剪力墙的提高幅度大于中国规范剪力墙。此外，对于中国规范剪力墙，由图1.7（a）可知，当长度不变时，承载力随着抗震等级的提高有较小幅度的提高。表1.2中美剪力墙最大抗弯承载力/（kN·m）墙肢长度中国规范剪力墙美国规范剪力墙4000mm一级（9度）1.1470.978一级（6、7、8度）1.100二、三级1.0445000mm一级（9度）1.7821.092一级（6、7、8度）1.721二、三级1.6606000mm一级（9度）1.5574.000一级（6、7、8度）1.480二、三级1.399（a）hw=4m（b）hw=5m（c）hw=6m图1.9中美规范剪力墙正截面承载力对比1.3.3斜截面受剪承载力（1）中国规范GB50010-2010中国规范给出了剪力墙斜截面受剪承载力按式（2-9）计算。（2-9）式中：λ为计算截面的剪跨比；ft为混凝土轴心抗拉强度设计值；bw为剪力墙截面宽度；hw0为剪力墙截面有效高度，hw0=hw-as′；N为剪力墙截面轴力设计值，大于0.2ftbwhw时应取0.2ftbwhw；Aw、A分别为剪力墙腹板和全截面面积；fyh为剪力墙水平分布钢筋的抗拉强度设计值；Ash为剪力墙水平分布钢筋的全截面面积（间距s内的钢筋截面面积）。考虑地震设计状况时，上式右端应除以承载力抗震调整系数γRE，γRE取0.85。（2）美国规范ACI318-19美国规范给出的剪力墙斜截面受剪承载力按式（2-10）计算。（2-10）式中：Vu为剪力荷载效应，单位是磅（lb）；ϕ为承载力折减系数，受剪时取0.75；Vn为剪力墙名义受剪承载力；αc与H/lw有关，H为墙高，lw为墙截面高度，当H/lw≤1.5时，αc取3，当H/lw≥1.0时，αc取2，中间按线性插值；λ为修正系数，对于普通混凝土取1.0；ρt和fyt分别为水平分布钢筋的配筋率和抗拉强度设计值；Acv为剪力墙全截面面积。（3）斜截面承载力对比以1.3.1节中层设计的剪力墙截面为例，分别根据中美规范提供的计算方法计算斜截面承载力，计算结果如图1.10所示。以轴压比μN和墙肢长度hw为变量，取剪跨比为1.8，分析影响一字形剪力墙抗剪承载力的因素。由表1.3可知，对于墙肢长度为4m的剪力墙，当轴压比从0.3增大至0.5时，中国规范剪力墙承载力从提高了1.19倍，美国规范剪力墙不变。由表1.4可知，当μN=0.3，墙肢长度从4m增大至6m时，中国规范剪力墙承载力提高了1.36倍，美国规范剪力墙提高了1.45倍。表1.3hw=4000mm中美规范剪力墙抗剪承载力/kN轴压比中国规范美国规范0.3一级（9度）1899.111626.82一级（6、7、8度）1937.50二、三级1975.900.5一级（9度）2269.36一级（6、7、8度）2307.75二、三级2346.14表1.4μN=0.3中美规范剪力墙抗剪承载力/kN墙肢长度中国规范美国规范4000mm一级（9度）1899.111626.82一级（6、7、8度）1937.50二、三级1975.905000mm一级（9度）2225.452033.53一级（6、7、8度）2283.04二、三级2321.436000mm一级（9度）2570.982361.50一级（6、7、8度）2628.57二、三级2686.16（a）μN=0.3（hw=4000mm）（b）μN=0.5（hw=4000mm）（c）μN=0.3（hw=5000mm）（d）μN=0.5（hw=5000mm）（e）μN=0.3（hw=6000mm）（f）μN=0.5（hw=6000mm）图1.10中美规范剪力墙斜截面承载力对比1.4中美规范剪力墙变形能力计算对比1.4.1分析方法以1.3.1节中设计的剪力墙截面为例，利用非线性截面分析软件XTRACT对墙截面进行弯矩-曲率分析。该软件通过将构件截面离散成多个单元，基于平截面假定求得每个时刻的单元应变，再利用应力-应变关系求得单元应力，从而得到截面内力。该分析方法既满足应变的协调性，又满足截面的平衡方程，还可引入非线性本构关系对约束区和非约束混凝土进行分析，故符合本章分析要求。截面弹塑性分析时，剪力墙约束边缘构件的混凝土有箍筋约束，其本构采用Mander约束混凝土模型[58]，对按中国规范设计的剪力墙约束边缘构件，分为强约束区和弱约束区，根据所配箍筋量反映约束混凝土的差异。剪力墙约束边缘构件以外的混凝土没有箍筋，其本构统一取为GB50010-2010中的混凝土单轴应力-应变关系曲线。纵向钢筋的本构采用GB50010-2010中的钢筋单调受拉应力-应变关系曲线。Mander本构模型如图1.11所示，通过计算箍筋的有效约束应力并利用极限强度准则计算约束混凝土的峰值强度，模型的骨架曲线通过约束混凝土的峰值强度fcc′、约束混凝土峰值抗压强度对应的应变εcc以及混凝土弹性模量Ec确定。具体参数按式（2-11）~（2-16）计算：（2-11）（2-12）