CN103967161A - 一种对应构件不屈服性能状态所需钢筋面积的配筋方法 - Google Patents

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本发明是一种对应构件不屈服性能状态所需钢筋面积的配筋方法。首先假设：1）在动力时程过程中构件截面内钢筋吸收的能量不随钢筋面积而变化；2）钢筋本构关系为双线性模型,在大震输入时，结构多通过构件耗能来消耗地震的输入能量，构件消耗的能量大小表现为截面内材料的本构关系滞回耗能大小,根据假定，构件截面内钢筋应变一旦大于屈服应变，表明钢筋出现屈服，此时钢筋吸收能量为EA。计算刚刚处于屈服状态的钢筋包含能量EB，根据能量等效原则建立方程，再逐步推导对应构件性能状态所需钢筋面积。本发明能计算出符合构件截面处于不同性能目标的钢筋面积，可直接指导任何一个实际工程的应用，改变了目前需大量耗时重新计算的设计现状。

Description

一种对应构件不屈服性能状态所需钢筋面积的配筋方法
技术领域
本发明是一种应构件不屈服性能状态所需钢筋面积的配筋方法，特别是涉及结构抗震性能设计时基于大震弹塑性结果复核构件配筋的方法，属于对应构件不屈服性能状态所需钢筋面积的配筋方法的创新技术。
背景技术
对特别复杂不规则结构进行性能化设计是确定结构安全、经济和合理的关键手段之一。结构抗震性能设计应根据结构方案的特殊性，选用适宜的抗震性能目标，并复核三个不同水准下结构或构件性能状态，尤其是在大震作用下结构与构件的性能状态复核。现阶段，建筑结构整体的大震分析不仅对计算机硬件配置要求甚高，而且大震弹塑性求解颇为耗时，如某250m超高层结构，计算一条30s地震波单方向输入时，需要耗时30个小时，计算这类结构，以7条波的话总需耗时2940小时。况且，一旦出现构件截面内钢筋的性能状态不符合拟定的性能目标，常见做法是加大截面的配筋大小，重新计算复核，此时重新计算所需的时间成本将很难满足实际工程的使用要求。而有关如何计算对应不同性能状态所需的钢筋面积的研究也很少见。
发明内容
本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种对应构件不屈服性能状态所需钢筋面积的配筋方法。本发明也可以用于确定不同性能状态所需的钢筋面积。
本发明的技术方案是：本发明对应构件不屈服性能状态所需钢筋面积的配筋方法，首先假设：1）在动力时程过程中构件截面内钢筋吸收的能量不随钢筋面积而变化；2）钢筋本构关系为双线性模型,在大震输入时，结构多通过构件耗能来消耗地震的输入能量，构件消耗的能量大小表现为截面内材料的本构关系滞回耗能大小,根据假定，构件截面内钢筋应变一旦大于屈服应变，表明钢筋出现屈服，此时钢筋吸收能量为E A 。计算刚刚处于屈服状态的钢筋包含能量E B ，根据能量等效原则建立方程，再逐步推导对应构件性能状态所需钢筋面积。
本发明对应构件不屈服性能状态所需钢筋面积的配筋方法，具体过程如下：
1)钢筋部分能量E的计算分析
假定钢筋面积为A s ，钢筋已经屈服，时程过程中其最大受拉应变为ε s ，钢筋部分总的能量为式（1）：
（1）
式中F为钢筋对应的轴力，U为钢筋轴向的变形量，σ s 为钢筋应变对应的应力，L为长度。对构件而言，As和L都是常数，则式（1）可以写成式（2）：
（2）
根据上式可知:
（3）
式中S A 、S B 为钢筋材料吸收的能量；
公式（3）表明构件长度一致时，能量大小只与钢筋面积、钢筋应力应变包含的面积大小相关。此外，钢筋的本构关系一旦确定，应力应变包含的面积可以用应变来表达，总之，在能量不变的前提下，可以通过调整钢筋面积来实现钢筋所要达到的应变状态。
2)EA与EB的计算分析
钢筋面积为As1和As2的同一根构件，时程过程中面积为As1的钢筋进入塑性，其最大受拉应变为ε s ，时程过程中面积为As2的钢筋刚刚进入屈服，则根据式（3），则
（4）
式（4）的物理意义在于控制构件钢筋处于不屈服状态，则构件需要的配筋应不小于As2；
3)钢筋面积As2计算
根据式（4）展开：
(5)
(6)
根据公式（6）演算出来的A s2 认为时程过程中钢筋刚刚进入屈服的临界状态,在工程设计中，构件钢筋若要处于不屈服状态，则构件的配筋应大于A s2 。
本发明能计算出符合构件截面处于不同性能目标的钢筋面积，可直接指导任何一个实际工程的应用，改变了目前需大量耗时重新计算的设计现状。本发明是一种方便实用的对应构件不屈服性能状态所需钢筋面积的配筋方法。
附图说明
图1为本发明的钢筋应力应变关系图；
图2为本发明的当面积为As1时钢筋耗能SA示意图；
图3为本发明的当面积为As2时钢筋耗能SB示意图。
具体实施方式
实施例：
附图1～3中，横轴ε为钢筋应变，ε yk 、ε s 、ε u 分别为钢筋屈服应变、动力时程中钢筋出现最大的受拉应变、钢筋极限应变，f yk 、f stk 为钢筋屈服应力、钢筋极限应力。E s 为钢筋弹性模量，S A 、S B 为钢筋材料吸收的能量。
本发明对应构件不屈服性能状态所需钢筋面积的配筋方法，首先假设：1）在动力时程过程中构件截面内钢筋吸收的能量不随钢筋面积而变化；2）钢筋本构关系为双线性模型,在大震输入时，结构多通过构件耗能来消耗地震的输入能量，构件消耗的能量大小表现为截面内材料（如钢筋、混凝土）的本构关系滞回耗能大小,根据假定，构件截面内钢筋应变一旦大于屈服应变，表明钢筋出现屈服，此时钢筋吸收能量为E A 。计算刚刚处于屈服状态的钢筋包含能量E B ，根据能量等效原则建立方程，再逐步推导对应构件性能状态所需钢筋面积。
本发明对应构件不屈服性能状态所需钢筋面积的配筋方法，具体过程如下：
1)钢筋部分能量E的计算分析
假定钢筋面积为A s ，钢筋已经屈服，时程过程中其最大受拉应变为ε s ，钢筋部分总的能量为式（1）：
（1）
式中F为钢筋对应的轴力，U为钢筋轴向的变形量，σ s 为钢筋应变对应的应力，L为长度。对构件而言，As和L都是常数，则式（1）可以写成式（2）： （2）
根据上式可知:
（3）
式中S A 、S B 为钢筋材料吸收的能量；
公式（3）表明构件长度一致时，能量大小只与钢筋面积、钢筋应力应变包含的面积大小相关。此外，钢筋的本构关系一旦确定，应力应变包含的面积可以用应变来表达，总之，在能量不变的前提下，可以通过调整钢筋面积来实现钢筋所要达到的应变状态。
2)EA与EB的计算分析
钢筋面积为As1和As2的同一根构件，时程过程中面积为As1的钢筋进入塑性，其最大受拉应变为ε s ，时程过程中面积为As2的钢筋刚刚进入屈服，则根据式（3），则
（4）
式（4）的物理意义在于控制构件钢筋处于不屈服状态，则构件需要的配筋应不小于As2；
3)钢筋面积As2计算
以图2和图3为例，根据式（4）可以展开：
(5)
(6)
根据公式（6）演算出来的A s2 认为时程过程中钢筋刚刚进入屈服的临界状态,在工程设计中，构件钢筋若要处于不屈服状态，则构件的配筋应大于A s2 。
上述构件截面内材料为钢筋、混凝土。
某实际工程关键构件（八根框架柱）选用大震不屈服性能目标，根据初步设计资料进行大震动力弹塑性分析，大震下关键构件底部均出现不同程度的屈服，且关键构件（八根框架柱）截面内钢筋最大受拉应变分布在0.0028~0.0049，其中应变超过0.002均表示钢筋出现屈服。截面内钢筋材料均为HRB400。
根据前述的公式（6）计算处于不屈服状态时截面所需的钢筋面积，并根据结果对关键构件进行相应加强，结果如表一。
表一 钢筋调整对比图（未注明的配筋数值单位为m2）
由表一的计算结果可知，截面内最大受拉应变不同，换算到不屈服状态时的钢筋面积也有差异。因此应该根据实际计算结果进行有针对性的计算，从而使构件达到拟定的性能目标。

Claims (3)

1.一种对应构件不屈服性能状态所需钢筋面积的配筋方法，首先假设：1）在动力时程过程中构件截面内钢筋吸收的能量不随钢筋面积而变化；2）钢筋本构关系为双线性模型,在大震输入时，结构多通过构件耗能来消耗地震的输入能量，构件消耗的能量大小表现为截面内材料的本构关系滞回耗能大小,其特征在于根据假定，构件截面内钢筋应变一旦大于屈服应变，表明钢筋出现屈服，此时钢筋吸收能量为E A ，计算刚刚处于屈服状态的钢筋包含能量E B ，根据能量等效原则建立方程，再逐步推导对应构件性能状态所需钢筋面积。
2.根据权利要求1所述的对应构件不屈服性能状态所需钢筋面积的配筋方法，其特征在于具体过程如下：
1)钢筋部分能量E的计算分析
假定钢筋面积为A s ，钢筋已经屈服，时程过程中其最大受拉应变为ε s ，钢筋部分总的能量E为式（1）：
（1）
式中F为钢筋对应的轴力，U为钢筋轴向的变形量，σ s 为钢筋应变对应的应力，L为长度，对构件而言，As和L都是常数，则式（1）可以写成式（2）；
（2）
根据上式可知:
（3）
式中S A 、S B 为钢筋材料吸收的能量；
公式（3）表明构件长度一致时，能量大小只与钢筋面积、钢筋应力应变包含的面积大小相关，此外，钢筋的本构关系一旦确定，应力应变包含的面积可以用应变来表达，总之，在能量不变的前提下，可以通过调整钢筋面积来实现钢筋所要达到的应变状态；
2)EA与EB的计算分析
钢筋面积为As1和As2的同一根构件，时程过程中面积为As1的钢筋进入塑性，其最大受拉应变为ε s ，时程过程中面积为As2的钢筋刚刚进入屈服，则根据式（3），则
（4）
式（4）的物理意义在于控制构件钢筋处于不屈服状态，则构件需要的配筋应不小于As2；
3)钢筋面积As2计算
根据式（4）展开：
(5)
(6)
根据公式（6）演算出来的A s2 认为时程过程中钢筋刚刚进入屈服的临界状态,在工程设计中，构件钢筋若要处于不屈服状态，则构件的配筋应大于A s2 。
3.根据权利要求1所述的对应构件不屈服性能状态所需钢筋面积的配筋方法，其特征在于上述构件截面内材料为钢筋、混凝土。
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