混凝土结构的分析方法

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混凝土结构的分析方法
1 结构分析应遵循的基本原则 2 分析方法及其适用范围
1 结构分析应遵循的原则
1.1 结构分析的步骤
结构选型和布置确定之后,可以进行结构分 析。步骤如下:
(1)假定结构构件截面尺寸,选择材料的品种和 级别。
(2)确定结构计算简图。 (3)计算荷载的大小。 (4)选择合适的结构分析方法。 (5)进行结构的内力和变形计算 (6)进行配筋计算,验算变形和裂缝。
弹性分析存在的问题: 确定计算简图后各截面内力分布规律不变化; 某一截面的内力达到其内力设计值时,就认为整 个结构达到其承载力。
问题2 :已知某单向现浇板建筑布置如下图示,板厚均为 100mm,板上作用活荷载标准值Q=2KN/m2,恒荷载标 准值G=4.5KN/m2,试按照弹性计算方法确定板2的跨中 最大弯矩和2轴线处支座最大弯矩。
在均布及三角形荷载作用下:
=V k3gl0 + k4ql0
在集中荷载作用下:
= M k5Gl0 + k6Ql0
=V k7G + k8Q
3、内力包络图
将同一结构在各种荷载的最不利组合作用下的内力图 (弯 矩图或剪力图)叠画在同一张图上,其外包线所形成的图形 称为内力包络图。
内力包络图反映出各截面可能产生的最大内力值,是设计 时选择截面和布置钢筋的依据。
1.2 结构分析的基本原则
——选自《混凝土结构设计规范》
(1)混凝土结构应进行整体作用效应分析,必要时尚应对 结构中受力状况特殊的部分进行更详细的分析(5.1.1条)。
在所有的情况下,设计计算、验收前均应对结构的整 体进行分析。
必要时,结构中的重要部位、形状突变部位以及内力 和变形有异常变化的部分(例如较大孔洞周围、节点及其 附近区域、支座和集中荷载附近等)应另作更详细的局部 分析。
2.2连续梁考虑内力重分布的塑性理论分析
1.塑性铰(plastic hinge)
适筋梁
塑性弯矩
塑性铰
在钢筋屈服截面,从钢筋屈服到达到极限承载力,截面在 外弯矩增加很小的情况下产生很大转动,表现得犹如一个能够 转动的铰,称为“塑性铰” 。
塑性铰与理想铰的比较
理想铰是一种机械装置,而塑性铰的转动则是受拉钢筋和 受压区混凝土的塑性变形、受拉区混凝土裂缝开展的结果; 理想铰不能传递弯矩,塑性铰则可传递一定数值的塑性弯 矩; 理想铰为双向铰,塑性铰为单向铰; 理想铰集中于一点,而塑性铰有一定长度(约(1~1.5) h)。
内力:结构在外力作用下,其内部产生的力,利用结构力学求得。
抗力:由结构构件自身的属性(截面大小、混凝土等级、钢筋配 置),按照混凝土设计原理求得的截面承载力。
结构的最不利荷载组合
——即确定活荷载的最不利布置
由于结构是超静定的,某一荷载对不同部位的影响有大小 和 利 弊 之 分 ; 同 样 ,不同位置的荷载对某一点的内力也有大 小和利弊之分。荷载的不利布置是指可得到某截面的最大内 力(绝对值)的荷载布置。
结构分析方法均应符合三类基本方程,即力学平衡方程, 变形协调(几何)条件和本构(物理)关系。其中平衡条 件必须满足;变形协调条件应在不同程度上予以满足,本 构关系则需合理的选用。
(以固定约束杆受轴向力作用的解为例)
(5)结构分析所采用的计算软件应经考核和验证,其技术条 件应符合本规范和国家现行有关标准的要求。(混凝土结构 设计规范5.1.6 条)
解:(1)确定计算简图如下
确定欲计算板2的跨中最大弯矩时的最不利活荷载布置方式, 并按照弯矩分配传递确定此时板2的两端支座弯矩:
其中:g=1.2x4.5+1.4x2/2=6.8 q=1.4x2/2=1.4 g+q= 8.2
确定欲计算2轴线处支座最大弯矩时的最不利活荷载 布置方式,并按照弯矩分配传递确定此时2轴线处的 两端支座弯矩。(具体数值计算略) :
(2)当结构在施工和使用期的不同阶段有多种受力状况时 应分别进行结构分析,并确定其最不利的作用效应组合。 对结构的两种极限状态进行结构分析时,应取用相应的作 用组合。
结构在不同的工作阶段,例如结构的施工期、检修期 和使用期,预制构件的制作、运输和安装阶段等,应确定 其可能的不利作用效应组合。
对于重要的结构,应考虑偶然作用可能带来的严重后 果,进行相应的结构防倒塌分析。
按此设计的结构,其承载力一般偏于安全。
少数结构因混凝土开裂部分的刚度减小而发生内力重 分布,可能影响其他部分的开裂和变形状况。考虑到混凝 土结构开裂后刚度的减小,对梁、柱构件可分别取用不同 的折减刚度值,且不再考虑刚度随作用效应而变化。在此 基础上,结构的内力和变形仍可采用弹性方法进行分析。
2 考虑塑性内力重分布的分析方法设计超静定混凝土结构, 具有充分发挥结构潜力,节约材料,简化设计和方便施工 等优点。但应注意到,结构的变形和裂缝可能相应增大。
楼盖(屋盖)
板的负 主梁集中荷载 荷面积 的负荷面积
次梁的负 次梁 荷面积
次梁的 间距
主梁

1m

次梁
主梁
2.1连续梁线弹性方法
1.结构控制截面:对结构设计起控制作用的截面。
如何确定?? 取决于结构截面的内力与抗力的比值(M/Mu),比 值最大者的截面即为控制截面。
对于等截面的连续梁板结构,若结构截面配筋相同, 梁、板的控制截面在支座处和跨中处。包括跨中最大 正弯矩、跨中最大负弯矩(绝对值)、支座最大负弯 矩(绝对值)、支座最大剪力。
一般地,N跨连续梁、板有N+1种最不利荷载组合。
1.假设:
混凝土为弹性体; 结构荷载与内力、荷载与变形、内力与变形均成线性关系。
2.内力计算:弯矩分配法 对于等跨连续梁(或连续梁各跨跨度相差不超过10%),可
由相关计算手册查出相应的内力系数,利用下列公式计算跨
内或支座截面的最大内力。
= M k1gl02 + k2ql02
极限平衡法); (5)实验分析方法
条文说明:
现有的结构分析方法可归纳为五类。各类方法的主要特点 和应用范围如下:
1 弹性分析方法是最基本和最成熟的结构分析方法,也是其 他分析方法的基础和特例。它适用于分析一般结构。大部 分混凝土结构的设计均基于此方法。结构内力的弹性分析 和截面承载力的极限状态设计相结合,实用上简易可行。
塑性铰的位置
连续梁、板结构:塑性铰一般出现在支座和跨中截面。 支座处塑性铰:一般出现在交界处;若结构中间支座 为砖墙、柱时,塑性铰出现在墙体中心线处。
塑性铰出现的顺序对结构的影响:
塑性铰先在支座处出现: 塑性铰先在跨中出现:
无多余约束几何不变 几何可变
几何可变
塑性铰先在支座处出现对结构更有利
连续梁、板的塑性内力重分布
能够正确计算结构承载力和验算使用阶段的变形与裂缝;
可以使结构在破坏时有较多的截面达到极限承载力,充分 发挥结构的潜力,更有效地节约材料;
利用结构的内力重分布现象,可以合理调整钢筋布置,缓 解支座钢筋拥挤现象,简化配筋构造,方便混凝土浇捣, 提高施工效率和质量;
根据结构的内力重分布现象,在一定条件下可以人为控制 结构中的弯矩分布,从而使设计得以简化。
结构设计中的内力分析
针对混凝土结构的实际情况,在设计中应如何处理?? 采用考虑内力重分布的塑性理论分析方法!! 如何做到“考虑内力重分布”?? 采用弯矩调幅法进行内力计算!!
“考虑内力重分布的塑性理论分析法”的应用
混凝土超静定结构:混凝土非弹性变形、裂缝的出现和开展、 钢筋的滑移和屈服、塑性铰的形成和转动等因素的影响, 结构构件刚度在各受力阶段不断变化。考虑结构的内力重 分布,建立弹塑性的内力计算方法,不仅可以使结构的内 力分析与截面设计相协I. 第一个塑性铰到结构破坏。
第一阶段内力重分布:由裂缝的形成与开展导致截面
刚度比变化而引起;
第二阶段内力重分布:主要是塑性铰的转动所引起。 连续梁板考虑内力重分布的内力计算:对承载力计算
是指第二阶段;对裂缝验算是指第一阶段。
塑性设计意味着结构中混 凝土在使用中一定会出现 宽大的裂缝?——只是较 为宽大。
(3)结构分析的模型应符合下列要求。 1 结构分析采用的计算简图、几何尺寸、计算参数、
边界条件以及结构材料性能指标等应符合实际情况,并应 有相应的构造措施;
2 结构上各种作用的取值与组合、初始应力和变形状 况等,应符合结构的实际状况;
3 结构分析中所采用的各种近似假定和简化,应有理 论、试验依据或经工程实践验证;计算结果的精度应符合 工程设计的要求。
内力重分布的程度:
——主要取决于塑性铰的转动能力
①完全的内力重分布:已出现的塑性铰都具有足够的转 动能力,能够保证最后一个使结构成为几何可变体系的 塑性铰的形成。
②不完全的内力重分布:塑性铰转动过程中出现混凝土 被压碎,结构尚未变成几何可变体系。
•塑性铰的转动能力:与配筋率的大小有关。配筋率过大, 难以形成塑性铰或出现的塑性铰转动能力不足,不能保 证结构实现完全的内力重分布;过小则会使结构承载力 过早达到极限。(为什么?)
超静定结构存在多余联 系,其内力是按刚度分 配的。
材料进入弹塑性阶段,产 生塑性铰,改变结构的刚 度,引起结构计算简图变 化。
混凝土结构由于刚度比值改变或出现塑性铰,引起结构计 算简图变化,从而使结构内力不再服从弹性理论的内力分布 规律的现象,称为塑性内力重分布或内力重分布
内力重分布过程(从裂缝产生到结构破坏的整个过程) :
但恒荷载是永久荷载,且满布在结构上,故在结构中产生的 内力是不变的。而活荷载作用于结构上的位置是变化的,因 而产生的内力也是变化的。则研究结构的最不利荷载组合, 主要研究活荷载的最不利布置。
研究方法:依据结构的弹性变形曲线
荷载不同布置时连续梁的剪力图
活荷载的最不利布置规律: (a)支座截面最大负弯矩,在左右二跨布置,然后隔跨布置; (b)跨内截面最大正弯矩时,在该跨布置,然后隔跨布置; (c)跨内最大负弯矩时,该跨不布置,在邻跨布置,然后隔跨 布置; (d)中间跨支座最大剪力时,活荷载布置与(a)相同; (e)边跨支座截面最大建立,活载布置与(b)相同。
4 塑性极限分析方法又称塑性分析法或极限平衡法。此法主 要用于周边有梁或墙支承的双向板设计。工程设计和施工 实践经验证明,按此法进行计算和构造设计简便易行,可 以保证结构的安全。
5 对体型复杂或受力状况特殊的结构或其部分,可采用试验 方法对结构的材料性能、本构关系、作用效应等进行实测 或模拟,为结构分析或确定设计参数提供依据。
结构分析应以结构的实际工作状况和受力条件为依据。 结构分析的结果应有相应的构造措施加以保证。例如,固 定端和刚节点的承载能力和对变形的限制;塑性铰的充分 转动能力;适筋截面的配筋率或压区相对高度的限制等
(4)结构分析应符合下列要求: 1)应满足力学平衡条件; 2)应在不同程度上符合变形协调条件; 3)应采用合理的材料或构件单元的本构关系。
3 弹塑性分析方法以钢筋混凝土的实际力学性能为依据,引 入相应的本构关系后,可进行结构受力全过程的分析,而 且可以较好地解决各种体型和受力复杂结构的分析问题。 但这种分析方法比较复杂,计算工作量大,各种非线性本 构关系尚不够完善和统一,至今应用范围仍然有限。主要 用于重要、复杂结构工程的分析和罕遇地震作用下的结构 分析。
结构设计中采用电算分析日益增多,商业的和自编的电 算程序都必须保证其运算的可靠性。而且每一项电算的结果 都应作必要的判断和校核。
2 分析方法及其适用范围
混凝土结构的分析方法可归纳为五类: (1)线弹性分析方法; (2)考虑塑性内力重分布的分析方法; (3)弹塑性分析方法; (4)塑性极限分析方法(又称塑性分析法或
考虑内力重分布的计算方法以形成塑性铰为前提,因此下 列情况不宜采用:
a)在使用阶段不允许出现裂缝或对裂缝有较严格限制的结构, 如水池、自防水屋面,以及处于侵蚀性环境中的结构;
例1
绘制弯矩包络图的步骤: 列出恒荷载及其与各种可能的最不利活荷载布置的组合。 对上述每一种荷载组合求出各控制截面的弯矩,并以连线为 基线绘出各跨在相应荷载作用下的弯矩图。 将几种荷载组合下的弯矩图汇总与同一个坐标下,绘出弯矩 图的外包线。
?练习:分析以下两跨连续梁的弯矩包络图
按弹性理论分析结构内力
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