混凝土偏压柱非线性分析和承载力的研究.pdfVIP

‘工程力学’增刊 1999年 ·567 混凝土偏压柱非线性分析及承载力的研究 徐哲诣何放龙 (湖南大学结构工程研究所湖南长涉4100陀) 提一本文在总结混凝土偏压柱二阶效应规律、分析方法及其简化运算的基础上．研究了用有限单 元方法考虑二阶效应计算偏压柱的合理和不足．编制了相应的非线性分析程序，计算结果与试验数据较 好吻合．此外．对混凝土柱承夔力与稳定的关系进行较深入的探讨． 艚■偏压拄二阶效应几何非线性材科非线性有跟单元法稳定 l前言 最早人们对结构分析运用的是材料力学和结构力学的经典弹性理论．然而对于混凝土 结构人们并不能简单地运用弹性理论来分析结构内力，因为混凝土材料的应力一应变关系 已不再服从虎克定律。截面会出现诸如混凝土开裂、钢筋屈服、混凝土软化、钢筋粘结滑 移等“非线性”问题．尤其对于偏压柱，由于受力过程结构中变形，外力作用位置也往往 发生了改变，轴力将会在变形结构中产生附加变形，而附加变形又反过来引起结构的附加 内力．这种轴力和变形的相互作用通常称之为二阶效应，这其实是一种几何非线性问题。 在混凝土偏压柱中，特别是应用广泛的中长柱及细长柱中，几何非线性所产生的附加内力 (二阶效应)往往相当大。如果按弹性分析或对此考虑不足，则将造成材料破坏或失稳破 坏之类的脆性破坏，导致灾难性后果．由此可见，二阶效应是分析设计中所必须考虑且力 求准确、真实的因素．本文先利用考虑_二阶效应的非线性分析方法对混凝土偏压柱进行受 力过程分析．再对其承载力作出进一步的探讨。 2考虑二阶效库的非线性分析 l、常用分析方法 混凝土结构在受力过程中表现出复杂的材料特性及变形规律，有限元技术的发展使得 其成为解决问题的较好【具．混凝土结构有限元分析虽有其特殊性，但仍遵循结构的离散 撩哲诣男1973正鳍杓工程在读磺士 568‘ ‘工程力学增刊 19辨年 化一单元分析一总体分析的常规步骤。对于偏压柱，计算方法又可用平面单元方法及杆单 元方法．西南交通大学、西安建筑科技大学等单位利用前者进行过压弯构件及偏压构件的 计算131．湖南大学利用后者进行过高强混凝士偏压柱的计算州．这两种方法通常都能给出 与试验有一定吻合程度的计算结果，但是，对于不同长细比和相对偏心距的偏压柱，无论 是平面单元法或是杆单元法都不能表现出令人满意的通用性．这是因为在偏压柱的受力过 程中，材料非线性和几何非线性两类“非线性”都要发生．尤其偏压柱的“二阶效应”又 是一类较特殊的“几何非线性”，上述方法不能很好地描述这一现象． 2、本文所用分析方法 ．如前所述，偏压柱的受力分析应分别考虑钢筋和混凝土的材料特性，并突出二阶效应 中轴力和变形相互作用这—特殊性。本文采用了通常所用的截面条带法，并沿柱长划分为 若干单元来分别描述截面受力及沿柱长的挠曲。在每一级加载中对每一截面的弯矩一曲率 关系进行迭代运算．考虑钢筋和混凝土各自的材料特性，从而避免了有限单元法中在考虑 “二阶效应”的同时把构件作为理想弹塑性材料处理的不足。为了求得相应的下降段．本 文采用分级加曲率的方法，解决了同一荷载值对应不同的曲率。从而得到不同的挠度而使 迭代难以收敛的问题。另外．根据“二阶效应”是轴力和位移的相互作用的结果，本文在 每段曲率增量中得到挠曲线后又根据N．-】汗一巾关系复求相应的新挠曲线，再按前后两次 的轴力值是否小于容许误差来确定挠度和相应轴力．这样就把轴力和位移相互作用这一连 续过程归结为数值方法解的问题，计算基本假定如下： ①平截面假定． ②滑凝土受呦一应女洪系已知，普通潞黜GBJl嗍9采用，高弼翻封期图l所示． @钢筋的应力—应变关系为已知． ④不考虑混凝土的抗拉强度及剪切变形的影响。矩形正截 面的应变，应力分布如图2所示．为了能进行数值计算，将 混凝土的截面分成有限条带，并假定每一条带上的应力。c．‘ e 均匀分布，混凝土和钢筋的应力均以压力为负，拉力为正． 在条带划分时，为了能使计算模型中截面上的应力分布 接近实际情况，一般采用多条带划分．