局部预应力混凝土框架的抗连续倒塌能力评估方法技术

本发明专利技术提出了一种局部预应力混凝土框架的抗连续倒塌能力评估方法。由于局部预应力结构往往存在显著的不对称性，使用已有的理论方法一般难以得到良好的预测效果。本发明专利技术提出的局部预应力混凝土框架的抗连续倒塌能力评估方法，基于结构和材料基本参数，在假定的三折线极限状态模型的基础上，利用子结构的位移协调和受力平衡条件，同时考虑塑性铰区域的影响，能够较好地解决局部预应力结构由于几何及物理不对称性带来的困难，得到较为可靠的局部预应力混凝土框架子结构的极限位移和极限抗力，并进一步用于评估结构的抗连续倒塌能力。并进一步用于评估结构的抗连续倒塌能力。并进一步用于评估结构的抗连续倒塌能力。

【技术实现步骤摘要】
局部预应力混凝土框架的抗连续倒塌能力评估方法


[0001]本专利技术公开了一种基于备用荷载路径法预测局部预应力钢筋混凝土框架梁柱子结构在中柱失效状态下的抗连续倒塌极限状态的理论计算方法，可用来评估局部预应力混凝土框架的抗连续倒塌能力，属于混凝土框架结构的防灾减灾领域，涉及理论计算和程序编制。

技术介绍

[0002]局部预应力结构是指在部分区域施加预应力，而在其他区域不施加预应力的结构。局部预应力是一种新型的结构形式，由于其灵活多变、工艺简约，且能够适应各种使用要求的特性，近年来在会展中心、办公大厅和体育场馆等诸多民用建筑中得到越来越多的应用。其中应用形式最为广泛的便是预应力梁与非预应力梁的结合使用，本专利技术正是针对这一工况提出了相应的理论预测方法。
[0003]连续倒塌是指结构在形成局部破坏后，由初始的局部破坏，从构件到构件扩展，最终导致部分结构倒塌或整体结构倒塌。自从上个世纪六十年代以来，连续倒塌问题逐渐得到了土木工程领域学术界和工程人员的广泛重视。虽然结构连续倒塌的发生概率较低，但是一旦发生，其后果非常严重，往往会带来巨大的生命和财产损失。因此，建立可靠的建筑结构的抗连续倒塌能力评估方法是十分必要的。对于结构的抗连续倒塌研究，目前学术界广泛认可并应用的方法为备用荷载路径法(也称拆除构件法)。该方法假定特定柱子在爆炸、冲击、地震等外部作用下发生失效，以此考察剩余结构能否跨越局部破坏而不发生连续倒塌的能力。
[0004]局部预应力混凝土框架结构的抗连续倒塌主要包含以下三个阶段：(1)压拱阶段：梁的轴力整体表现为受压，竖向荷载作用下，梁内形成拱状的传力路径；(2)过渡阶段：预应力梁整体表现为受拉，而非预应力梁整体表现为受压，此阶段是压拱阶段和悬链线阶段之间的转换阶段；(3)悬链线阶段：随着竖向位移的进一步发展，非预应力梁的轴力完全转为拉力，预应力梁与非预应力梁均处于受拉状态，此时结构的抗力主要由钢筋和预应力钢绞线提供，最终在此阶段达到结构的极限状态。
[0005]在局部预应力的实际工程应用中，预应力跨通常具有跨度大、截面大的特点，非预应力跨的跨度和截面则相对较小，这就意味着结构具有显著的几何及物理不对称性。而这种不对称性也导致局部预应力结构的连续倒塌破坏模式也往往是不对称的。因此，理论必须同时考虑预应力跨与非预应力跨的影响，并保证两者相互协调，共同作用。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种局部预应力混凝土框架的抗连续倒塌能力评估方法。由于局部预应力混凝土框架通常具有强不对称性，如果采用已有的普通钢筋混凝土框架的理论公式，不仅在破坏模式假设上存在较大差异，其结果往往也存在很大误差。采用本专利技术提出的局部预应力混凝土框架的抗连续倒塌能力评估方法，在假定的三折线模型基础上，利
用子结构的位移协调和受力平衡，考虑塑性铰区域的影响，能够得到较为可靠的局部预应力混凝土框架子结构的极限位移和极限抗力，并进一步用于评估结构的抗连续倒塌能力。
[0007]本专利技术采用如下技术方案：
[0008]局部预应力混凝土框架的抗连续倒塌能力评估方法；基于备用荷载路径法的考虑中柱失效情况下的局部预应力混凝土框架梁柱子结构的抗连续倒塌能力评估方法的具体过程包括如下步骤：
[0009](1)、准备工作：
[0010]1a)、确定结构的几何尺寸、配筋方案、材料参数等信息，且建立预应力梁、非预应力梁、零号梁段、一号梁段、二号梁段；
[0011]1b)、利用步骤1a)中的信息，建立钢筋的双折线应力应变模型及子结构的三折线极限状态模型；
[0012](2)、建立位移协调方程：
[0013]2a)计算零号梁段的竖向位移：通过零号梁段端部的转角，依据直线假定，得到关键截面1处的竖向位移；
[0014]2b)、利用Mattock公式计算各塑性铰区域的长度；该塑性铰区域分别为关键截面1，中柱与非预应力梁相接处的塑性铰和关键截面2；
[0015]2c)、以一号梁段与二号梁段的顶部及底部的应变分布及平截面假定，得到梁段中轴线处的应变分布；通过计算得到一号梁段与二号梁段的伸长量；
[0016]2d)、根据预应力梁与非预应力梁在中柱处应满足的位移协调条件，二者在此处的竖向位移应当相等，建立与中柱处极限位移相关的非线性方程；
[0017](3)、考虑塑性铰曲率的夹角修正：
[0018]3a)、采用极限曲率计算公式计算关键截面1处的塑性铰曲率；
[0019]3b)、结合前述步骤得到的一号梁段相对于初始水平位置的转角，通过求解几何关系，得到修正后的夹角；
[0020](4)建立受力平衡方程：
[0021]4a)、根据平截面假定，确定关键截面1和关键截面2处钢筋的应变，并以此得到各钢筋及预应力钢绞线的应力状态；
[0022]4b)、根据竖向受力平衡，极限荷载等于结构此时受拉区钢筋及预应力钢绞线所提供的拉力的竖向分量总和；混凝土已严重开裂，退出工作。
[0023](5)、求解(2)、(3)、(4)中建立的位移协调方程、塑性铰曲率关系和受力平衡方程，即可得到局部预应力混凝土结构的抗连续倒塌极限位移和极限抗力。
[0024]本专利技术所述的局部预应力混凝土框架的抗连续倒塌能力评估方，所述的步骤(1)中确定结构的几何尺寸、配筋方案、材料参数信息包括：预应力梁跨长L
PC
，非预应力梁跨长L
RC
，预应力梁、非预应力梁的截面尺寸，零号、一号、二号梁段的长度L0、L1、L2，柱宽b，钢筋弹性模量E
s
，钢筋屈服强度f
y
，极限强度f
u
，钢筋屈服应变ε
y
，极限应变ε
u
，
[0025]各截面具体配筋包括关键截面1处顶部配筋A
s1,top
、腰部配筋A
s1,w
，
[0026]关键截面2处顶部配筋A
s2,top
和腰部配筋A
s2,w
，
[0027]混凝土极限压应变ε
hu
，相对界限受压区高度ξ
p
，预应力钢绞线屈服强度f
P
，预应力钢绞线面积A
P
；
[0028]零号梁段与一号梁段的交界处为关键截面1，非预应力梁的远离中柱的一端为关键截面2；
[0029]步骤1b)中利用钢筋屈服强度f
y
和极限强度f
u
、钢筋屈服应变ε
y
和极限应变ε
u
可以建立钢筋的双折线应力应变模型，并按下式得到模型中的钢筋应变硬化率b
h
：
[0030][0031]其中，E
p
和E
s
分别为模型中钢筋的塑性变形模量和弹性变形模量。
[0032]本专利技术所述的局部预应力混凝土框架的抗连续倒塌能力评估方法，步骤2a)中假定零号本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.局部预应力混凝土框架的抗连续倒塌能力评估方法，其特征在于：基于备用荷载路径法的考虑中柱失效情况下的局部预应力混凝土框架梁柱子结构的抗连续倒塌能力评估方法的具体过程包括如下步骤：(1)、准备工作：1a)、确定结构的几何尺寸、配筋方案、材料参数信息，且建立预应力梁、非预应力梁、零号梁段、一号梁段、二号梁段；1b)、利用步骤1a)中的信息，建立钢筋的双折线应力应变模型及子结构的三折线极限状态模型；(2)、建立位移协调方程：2a)计算零号梁段的竖向位移：通过零号梁段端部的转角，依据直线假定，得到关键截面1处的竖向位移；2b)、利用Mattock公式计算各塑性铰区域的长度；该塑性铰区域分别为关键截面1，中柱与非预应力梁相接处的塑性铰和关键截面2；2c)、以一号梁段与二号梁段的顶部及底部的应变分布及平截面假定，得到梁段中轴线处的应变分布；通过计算得到一号梁段与二号梁段的伸长量；2d)、根据预应力梁与非预应力梁在中柱处应满足的位移协调条件，二者在此处的竖向位移应当相等，建立与中柱处极限位移相关的非线性方程；(3)、考虑塑性铰曲率的夹角修正：3a)、采用极限曲率计算公式计算关键截面1处的塑性铰曲率；3b)、结合前述步骤得到的一号梁段相对于初始水平位置的转角，通过求解几何关系，得到修正后的夹角；(4)建立受力平衡方程：4a)、根据平截面假定，确定关键截面1和关键截面2处钢筋的应变，并以此得到各钢筋及预应力钢绞线的应力状态；4b)、根据竖向受力平衡，极限荷载等于结构此时受拉区钢筋及预应力钢绞线所提供的拉力的竖向分量总和；(5)、求解(2)、(3)、(4)中建立的位移协调方程、塑性铰曲率关系和受力平衡方程，即可得到局部预应力混凝土结构的抗连续倒塌极限位移和极限抗力。2.根据权利要求1所述的局部预应力混凝土框架的抗连续倒塌能力评估方法，其特征在于：所述的步骤(1)中确定结构的几何尺寸、配筋方案、材料参数信息包括：预应力梁跨长L
PC
，非预应力梁跨长L
RC
，预应力梁、非预应力梁的截面尺寸，零号、一号、二号梁段的长度L0、L1、L2，柱宽b，钢筋弹性模量E
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，钢筋屈服强度f
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，极限强度f
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，钢筋屈服应变ε
y
，极限应变ε
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，各截面具体配筋包括关键截面1处顶部配筋A
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、腰部配筋A
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，关键截面2处顶部配筋A
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和腰部配筋A
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，混凝土极限压应变ε
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，相对界限受压区高度ξ
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，预应力钢绞线屈服强度f
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，预应力钢绞线面积A
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；零号梁段与一号梁段的交界处为关键截面1，非预应力梁的远离中柱的一端为关键截面2；步骤1b)中利用钢筋屈服强度f
y
和极限强度f
u
、钢筋屈服应变ε
y
和极限应变ε
u
可以建立
4.根据权利要求1所述的部预应力混凝土框架的抗连续倒塌能力评估方法，其特征在于：步骤3a)中依据关键截面1处的塑性铰等效极限曲率来近似考虑零号梁段和一号梁段之间的连接，采用如下公式计算极限曲率：其中，是塑性铰极限曲率，ε
hu
是混凝土的极限压应变，ξ
p
是截面破坏时的相对...

【专利技术属性】
技术研发人员：周臻，瞿韬，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：