配置高强度钢筋的非抗震混凝土框架结构设计方法与受力性能对比

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世界各国的建筑结构一般允许采用不同类型的钢筋。近年来,高强钢筋在混凝土结构中的应用得到了越来越多的关注,其优点是可以减小构件的尺寸,能更有效地利用结构的使用面积等。尽管高强度钢筋在许多国家都有商业应用,但工程师们还没有完全接受它,部分原因是配置高强钢筋的混凝土结构的受力性能尚未完全研究清楚。高强钢筋的工程应用可能受到规范相关条文的潜在影响,例如满足正常使用的适用性要求、最小箍筋间距要求以及最小配筋率要求等。因此,有必要进一步研究配置高强钢筋的混凝土结构的设计方法以及高强度钢筋对结构受力性能的影响。本文对配置高强纵向钢筋的混凝土结构的受力性能进行了研究,并以非抗震钢筋混凝土建筑框架结构为例进行分析。  以七层钢筋混凝土办公楼建筑为例,分别按照三个有代表性的国家(即美国、欧洲和中国)的规范进行设计,且框架结构采用尽量相同的构件截面尺寸。由于建筑物只抵抗重力和风荷载,因此不考虑抗震设计要求。每一个框架结构均由两个主轴方向的梁、柱构件组成空间受力体系抵抗侧向风荷载。  采用SAP2000软件建立每个算例框架结构的三维计算模型。对于每一个分析模型,均分别按传统的普通强度纵向钢筋、高强度纵向钢筋进行设计。对于美国算例框架的计算模型,分别使用60级和80级纵向钢筋;欧洲算例框架的计算模型,分别采用500MPa级和600MPa级纵向钢筋;中国算例框架的计算模型,分别采用HRB400与HRB500纵向钢筋。三个国家的框架(共六个框架结构算例)承受相同的重力荷载和类似的风荷载(选取相同的基本风速),并基于各国的相应荷载规范进行计算,并在SAP2000软件中分别按照美国ACI318-14,欧洲EC2和中国GB50010-2010进行结构设计。然后,选择典型的框架构件按相应国家的设计规范进行手算,并根据手算的计算结果评价、校核了软件使用高强钢筋设计的合理性,同时也验证了SAP2000设计结果的合理性。此外,对选定的典型框架梁的弯曲裂缝宽度进行了手算,验证了正常使用的适用性。最后,采用OpenSees软件建立了细化的非线性分析有限元模型。每个算例框架的OpenSees有限元模型的构件截面定义(混凝土纤维、钢筋纤维)是根据SAP2000软件设计得到的各构件的配筋结果确定的。然后,根据所采用的荷载规范确定了风荷载沿高度的分布方式,并对每一个算例框架结构的OpenSees有限元分析模型进行了基于风荷载的Pushover推覆分析。  根据上述研究得到了以下结论:  (1)对于三个国家的算例框架结构,次梁和框架梁配置高强度纵向钢筋时的弯曲裂缝宽度均比配置普通强度纵向钢筋梁的裂缝宽度更宽。  (2)对于美国的算例框架,配置普通强度钢筋的框架结构和配置高强度钢筋的框架的最大楼层侧移值是相近的,但配置高强度钢筋的框架的最大层间侧移小于配置普通强度钢筋的框架。总体而言,配置普通强度钢筋的框架的侧向承载能力和抗侧向变形能力均高于配置高强度钢筋的框架结构。  (3)对于欧洲的算例框架,配置高强度钢筋的框架的最大楼层位移和最大层间侧移与配置普通强度钢筋的框架结构是相当的。然而,配置普通强度钢筋的结构的侧向承载能力和侧向变形能力均高于配置高强度钢筋的框架。  (4)对中国的算例框架,配置高强度钢筋的框架的最大楼层位移和最大层间侧移与配置普通强度钢筋的结构是类似的。但配置普通强度钢筋的结构比配置高强钢筋的结构具有较高的侧向承载能力和侧向变形能力。  (5)相比较而言,美国和中国配置高强度钢筋的框架结构的最大楼层位移值是相似的,但欧洲的框架配置高强度钢筋时最大楼层位移值相对较小。此外,美国和中国配置高强度钢筋的框架的最大层间侧移值以及最大层间侧移均是在2层出现。但是,相对于美国和中国的配置高强度钢筋的框架而言,欧洲的框架配置高强度钢筋时最大层间侧移一般相对更大。总的来说,配置高强度钢筋的欧洲框架比美国和中国的框架具有更高的侧向承载能力和侧向变形能力。
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