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1、第38卷第4期上海师范大学学报(自然科学版)Vol.38,No.42009年8月JournalofShanghaiNormalUniversity(NaturalSciences)2009,Aug1异形柱钢筋混凝土框架结构非线性分析12332邹翾,张强,周德源,李培(1.上海建桥学院管理学院,上海201319;2.上海师范大学建筑工程学院,上海201418;3.同济大学结构工程与防灾研究所,上海200092)摘要:由于异形柱的截面形状与墙身一致,避免了结构柱在建筑平面中的外凸,增加了建筑可用面积,近年来在结构设计中应用日益广泛.运用自编的基于纤维模
2、型柔度法非线性分析程序,对四榀平面框架进行了分析,并从骨架曲线和滞回曲线两个方面与试验结果进行了比较,表明骨架曲线计算与试验值吻合得很好,验证了基于纤维模型有限单元柔度法非线性分析程序适用于框架结构,而且对于含不规则截面的结构也适用.关键词:钢筋混凝土框架;柔度法;非线性分析中图分类号:O322文献标识码:A文章编号:100025137(2009)04204022060引言近年来,随着异形柱结构的不断推广应用,国内许多学者在钢筋混凝土异形柱结构体系的构件、节[1～4]点、结构等许多方面做了大量的理论与试验研究工作,逐步形成了一个完整的系列,但是对于
3、异形柱结构的整体性能研究相对较少.这是由于柱截面形式的复杂性和不对称性,以及滞回关系的特殊性,对分析程序采用的方法和分析模型要求较高.现有的三维分析程序多采用将异形柱视为薄壁杆的有限[5]元法或本构关系建立在截面层次上的杆系结构刚度分析法.采用以内力形函数为基础的柔度法,在材料层次上建立本构关系,可以适用于各种柱截面形式,计算结果更精确.通过一系列算例的程序计算[6]结果与试验数据的分析对比,不但可以验证柔度法非线性分析理论的正确性,而且为杆系结构的非线性分析奠定了基础.1截面纤维划分及纤维本构关系1.1截面纤维划分每个钢筋混凝土杆件截面可以被划分
4、成约束混凝土纤维、非约束混凝土纤维(保护层混凝土纤维)以及钢筋纤维,只要给定划分网格数,程序可以自动进行网格划分,钢筋纤维的数目和位置对于不同的收稿日期:2008211207基金项目:上海市教育委员会科研创新项目(09YZ173);上海师范大学科研基金项目(SK200746);上海大学生创新活动计划项目(CH050).作者简介:邹翾(1976-),女,博士,上海建桥学院管理学院讲师;张强(1975-),男,博士,上海师范大学建筑工程学院副教授.3通讯作者第4期邹翾,张强,周德源,等:异形柱钢筋混凝土框架结构非线性分析403问题分别给定.1.2混凝土
5、本构关系[2]采用的混凝土的本构模型骨架曲线为Kent和Park在1973年提出,后经Scott等人改进的模式.该模式分别考虑了受约束混凝土和不受约束混凝土的受力特性.混凝土卸载及再加载的规律采用的改进Berkeley模型是在Karson和Jirsa的模型基础上提出的,其卸载和再加载都以直线形式表示,混凝土的拉应力忽略不计,考虑裂面效应,如图1.1.3钢筋本构模型采用如图2所示钢筋模型,反复加载下钢筋的骨架曲线采用二线型模型,超过弹性极限后钢筋的等效弹性模量取E′=0.01E.骨架曲线、卸载曲线和再加载曲线围成一个闭合的平行四边形,可以看出反向加载
6、的弹性极限有所降低,而且卸载前的应力越大反向受力的弹性极限越小,因此,此模型考虑了部分的包辛格效应,是一种简单有效的钢筋本构模型.图1混凝土本构模型图2钢筋本构模型2非线性分析模型[6]试验模型的设计以某多层钢筋混凝土异形柱住宅工程为背景,抽象出一榀边框架作为原型,按1∶3.5的比例设计成缩尺模型.模型为两层半不等跨异形柱框架,两边柱为L形柱,中柱为“一字形”柱.试验共设计4个试件,前两个试件的竖向荷载模拟6层结构的竖向荷载数值,后两个试件的竖向荷载模拟10层结构的竖向荷载数值.根据实测的柱截面面积计算竖向荷载值,在程序计算时,由于柱截面面积采用的
7、是设计值,因此竖向荷载值与试验施加值略有不同.程序计算时竖向荷载施加值见表1.模型结构通过改变边柱的肢高肢厚比来改变结构抗侧刚度.后三榀试件节点区箍筋不加密,而采用X筋提高节点的抗弯剪能力,这在程序中不易模拟,因此假定X筋与节点区箍筋加密效果相同,认为4榀框架的柱端都进行了箍筋加密.表1竖向荷载施加值一览表3竖向荷载施加值(×10N)试件编号竖向荷载参数A柱B柱C柱YXFr-1拟6层荷载31.4662.1840.04YXFr-2拟6层荷载39.7178.4950.54YXFr-3,YXFr-4拟10层荷载49.7495.2263.33试验模型简图见
8、图3的左图,顶部半层各柱之间用槽钢连接,由于实测下来顶部的连接槽钢轴向变形未超过0.25mm,加载过程中始终处于弹性阶段,
