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技术支持中心知识库文章3.1 极限状态和裂缝宽度计算
3.1 极限状态和裂缝宽度计算
ConcreteKnowledge baseDetail 2DACI (USA)EN (Eurocode)

3.1 极限状态和裂缝宽度计算

本文也提供以下语言版本
ENCZDEESFRITPTNLHUROKRPLTHTRVIZH
AI从英语翻译

使用 CSFM 对结构进行评估时,需进行两种不同的分析:一种针对正常使用极限状态荷载组合,另一种针对承载能力极限状态荷载组合。正常使用分析假定构件的极限性能满足要求,且在正常使用荷载水平下材料不会达到屈服条件。这种方法允许在正常使用分析中采用简化的本构模型(混凝土应力-应变曲线采用线性段),以提高数值稳定性和计算速度。因此,建议采用下文所述的工作流程,即首先进行承载能力极限状态分析。

承载能力极限状态分析

各设计规范要求的不同验算,均基于模型提供的直接结果进行评估。承载能力极限状态验算包括混凝土强度、钢筋强度和锚固(粘结剪应力)验算。

为确保结构构件的设计高效合理,强烈建议先进行初步分析,并考虑以下步骤:

  • 选取若干最不利的荷载组合。
  • 仅计算承载能力极限状态(ULS)荷载组合。
  • 使用粗网格(在 Setup 中增大默认网格尺寸的倍数(图 19))。

Fig. 19Mesh multiplier.\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 19\qquad Mesh multiplier.}}}Fig. 19Mesh multiplier.

此类模型计算速度很快,设计人员可以高效地检查结构构件的构造细节,并重新运行分析,直至最不利荷载组合下的所有验算要求均得到满足。一旦该初步分析的所有验算要求均得到满足,建议纳入完整的承载能力极限状态荷载组合,并采用精细网格尺寸(即程序推荐的网格尺寸)。用户可通过倍数调整网格尺寸,倍数取值范围为 0.5 至 5(图 19)。

基本结果和验算(应力、应变和承载比(即计算值/规范限值),以及混凝土构件的主应力方向)通过不同的图形显示,其中压力通常以红色表示,拉力以蓝色表示。可以突出显示整个结构的全局最小值和最大值,以及每个用户自定义部分的最小值和最大值。在程序的单独选项卡中,可以显示高级结果,例如张量值、结构变形,以及用于计算钢筋拉力刚化的配筋率(有效配筋率和几何配筋率)。此外,还可以显示所选组合或荷载工况的荷载和反力。

正常使用极限状态分析

正常使用极限状态评估包括应力限值、裂缝宽度和挠度限值验算。混凝土和钢筋中的应力按照适用规范进行校核,方式与承载能力极限状态类似。

正常使用分析对承载能力极限状态分析所用的本构模型作了一定简化。分析假定为完全粘结,即在正常使用状态下不验算锚固长度。此外,混凝土受压应力-应变曲线的塑性段被忽略,而弹性段为线性且无限延伸。这些简化提高了数值稳定性和计算速度,并且只要正常使用状态下材料的合成应力限值明显低于其屈服点(如标准所要求),就不会降低解的通用性。因此,正常使用分析所采用的简化模型仅在所有验算要求均得到满足时才有效。

裂缝宽度计算与拉力刚化

裂缝宽度计算

裂缝宽度的计算有两种方式——稳定裂缝和非稳定裂缝。根据结构各部分的几何配筋率来决定采用哪种裂缝计算模型(稳定裂缝采用 TCM 模型,非稳定裂缝采用 POM 模型)。

Fig. 20 Crack width calculation: (a) considered crack kinematics; (b) projection of crack kinematics into the principal\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 20 \qquad Crack width calculation: (a) considered crack kinematics; (b) projection of crack kinematics into the principal}}}Fig. 20 Crack width calculation: (a) considered crack kinematics; (b) projection of crack kinematics into the principal directions of the reinforcing bar; (c) crack width in the direction of the reinforcing bar for stabilized cracking; (d) cases with\textsf{\textit{\footnotesize{directions of the reinforcing bar; (c) crack width in the direction of the reinforcing bar for stabilized cracking; (d) cases with}}}directions of the reinforcing bar; (c) crack width in the direction of the reinforcing bar for stabilized cracking; (d) cases with local non-stabilized cracking regardless of the reinforcement amount; (e) crack width in the direction of the reinforcing bar\textsf{\textit{\footnotesize{local non-stabilized cracking regardless of the reinforcement amount; (e) crack width in the direction of the reinforcing bar}}}local non-stabilized cracking regardless of the reinforcement amount; (e) crack width in the direction of the reinforcing barfor non-stabilized cracking.\textsf{\textit{\footnotesize{for non-stabilized cracking.}}}for non-stabilized cracking.

CSFM(协调应力场法)对大多数验证项目(如构件承载力、挠度等)可直接给出结果,而裂缝宽度结果则按照图 20 所述方法,由有限单元法分析直接提供的钢筋应变结果计算得出。模型采用无滑移的裂缝运动学(纯裂缝张开)(图 20a),这与模型的主要假设一致。应力和应变的主方向决定了裂缝的倾角(θr = θs= θe)。根据图 20b,裂缝宽度(w)可投影到钢筋方向(wb),得到:

w=wbcos⁡(θr+θb−π2)w = \frac{w_b}{\cos\left(θ_r + θ_b - \frac{π}{2}\right)}w=cos(θr​+θb​−2π​)wb​​

其中 θb 为钢筋倾角。

请注意,程序显示的 θr 和 θb 值均 < π/2。这意味着上述公式适用于钢筋与裂缝分别穿过笛卡尔坐标系不同象限的情况,如图 20 所示,钢筋穿过第 I、III 象限,裂缝穿过第 II、IV 象限。对于钢筋与裂缝穿过相同象限的情况,公式需修改如下:

w=wbcos⁡(−θr+θb+π2)w = \frac{w_b}{\cos\left(-θ_r + θ_b + \frac{π}{2}\right)}w=cos(−θr​+θb​+2π​)wb​​

分量 wb 基于拉力刚化模型,通过对钢筋应变积分一致计算得出。对于裂缝形态已充分发展的区域,沿钢筋计算的平均应变(em)直接沿裂缝间距(sr)积分,如图 20c 所示。虽然这种计算裂缝方向的方法与裂缝实际位置不完全对应,但仍能提供具有代表性的数值,所得裂缝宽度结果可与规范要求的钢筋位置处裂缝宽度限值进行比较。

在计算结构的凹角处会出现特殊情况。此时,凹角预先确定了单条裂缝的位置,在相邻裂缝进一步发展之前,该裂缝呈非稳定状态。这些相邻裂缝通常在正常使用范围之后才会发展(Mata-Falcón 2015),因此将该区域的裂缝宽度按非稳定裂缝计算是合理的(图 21)。

Fig. 21Definition of the region at concave corners in which the crack width is computed as if it were non-stabilized.\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 21\qquad Definition of the region at concave corners in which the crack width is computed as if it were non-stabilized.}}}Fig. 21Definition of the region at concave corners in which the crack width is computed as if it were non-stabilized.

拉力刚化

拉力刚化的实现区分了稳定裂缝形态和非稳定裂缝形态两种情况。在两种情况下,默认均假设混凝土在加载前已完全开裂。

Fig. 22Tension stiffening model: (a) tension chord element for stabilized cracking with distribution of bond shear,\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 22\qquad Tension stiffening model: (a) tension chord element for stabilized cracking with distribution of bond shear,}}}Fig. 22Tension stiffening model: (a) tension chord element for stabilized cracking with distribution of bond shear, steel and concrete stresses, and steel strains between cracks, considering average crack spacing); (b) pull-out assumption\textsf{\textit{\footnotesize{steel and concrete stresses, and steel strains between cracks, considering average crack spacing); (b) pull-out assumption}}}steel and concrete stresses, and steel strains between cracks, considering average crack spacing); (b) pull-out assumption for non-stabilized cracking with distribution of bond shear and steel stresses and strains around the crack; (c) resulting\textsf{\textit{\footnotesize{for non-stabilized cracking with distribution of bond shear and steel stresses and strains around the crack; (c) resulting}}}for non-stabilized cracking with distribution of bond shear and steel stresses and strains around the crack; (c) resulting tension chord behavior in terms of reinforcement stresses at the cracks and average strains for European B500B steel;\textsf{\textit{\footnotesize{tension chord behavior in terms of reinforcement stresses at the cracks and average strains for European B500B steel;}}}tension chord behavior in terms of reinforcement stresses at the cracks and average strains for European B500B steel; (d) detail of the initial branches of the tension chord response.\textsf{\textit{\footnotesize{(d) detail of the initial branches of the tension chord response.}}}(d) detail of the initial branches of the tension chord response.

稳定裂缝

对于充分发展的裂缝形态,拉力刚化采用拉力弦模型(TCM)(Marti et al. 1998;Alvarez 1998)引入——图 22a——该模型已被证明尽管简单,却能给出优异的响应预测(Burns 2012)。TCM 假设粘结剪应力-滑移关系为阶梯形刚性完全塑性,当 σs ≤ fy 时 τb = τb0 =2 fctm,当 σs > fy 时 τb =τb1 = fctm。将每根钢筋视为拉力弦——图 22b 和图 22a——对于任意给定的裂缝处最大钢筋应力(或应变)值,可确定两条裂缝之间的粘结剪力、钢筋和混凝土应力分布以及应变分布。

当 sr = sr0 时,由于两裂缝中间处 σc1 = fct,新裂缝可能形成也可能不形成。因此,裂缝间距可能相差两倍,即 sr = λsr0,其中 λ = 0.5…1.0。假定 λ 的某一值,弦的平均应变(εm)可表示为最大钢筋应力(即裂缝处应力 σsr)的函数。对于 CSFM(协调应力场法)默认采用的钢筋裸筋理想化双线性应力-应变图,可得到如下封闭解析表达式(Marti et al. 1998):

εm=σsrEs−τb0srEsØ\varepsilon_m = \frac{\sigma_{sr}}{E_s} - \frac{\tau_{b0}s_r}{E_s Ø}εm​=Es​σsr​​−Es​Øτb0​sr​​

forσsr≤fy\textrm{for}\qquad\qquad\sigma_{sr} \le f_yforσsr​≤fy​

εm=(σsr−fy)2Ø4Eshτb1sr(1−Eshτb0Esτb1)+(σsr−fy)Esτb0τb1+(εy−τb0srEsØ){\varepsilon_m} = \frac{{{{\left( {{\sigma_{sr}} - {f_y}} \right)}^2}Ø}}{{4{E_{sh}}{\tau _{b1}}{s_r}}}\left( {1 - \frac{{{E_{sh}}{\tau_{b0}}}}{{{E_s}{\tau_{b1}}}}} \right) + \frac{{\left( {{\sigma_{sr}} - {f_y}} \right)}}{{{E_s}}}\frac{{{\tau_{b0}}}}{{{\tau_{b1}}}} + \left( {{\varepsilon_y} - \frac{{{\tau_{b0}}{s_r}}}{{{E_s}Ø}}} \right)εm​=4Esh​τb1​sr​(σsr​−fy​)2Ø​(1−Es​τb1​Esh​τb0​​)+Es​(σsr​−fy​)​τb1​τb0​​+(εy​−Es​Øτb0​sr​​)

forfy≤σsr≤(fy+2τb1srØ)\textrm{for}\qquad\qquad{f_y} \le {\sigma _{sr}} \le \left( {{f_y} + \frac{{2{\tau _{b1}}{s_r}}}{Ø}} \right)forfy​≤σsr​≤(fy​+Ø2τb1​sr​​)

εm=fsEs+σsr−fyEsh−τb1srEshØ\varepsilon_m = \frac{f_s}{E_s} + \frac{\sigma_{sr}-f_y}{E_{sh}} - \frac{\tau_{b1} s_r}{E_{sh} Ø}εm​=Es​fs​​+Esh​σsr​−fy​​−Esh​Øτb1​sr​​

for(fy+2τb1srØ)≤σsr≤ft\textrm{for}\qquad\qquad\left(f_y + \frac{2\tau_{b1}s_r}{Ø}\right) \le \sigma_{sr} \le f_tfor(fy​+Ø2τb1​sr​​)≤σsr​≤ft​

其中:
Esh           钢材硬化模量 Esh = (ft – fy)/(εu – fy /Es) ,

Es            钢筋弹性模量,

Ø            钢筋直径,

sr                裂缝间距,

σsr           裂缝处钢筋应力,

σs            实际钢筋应力,

fy                钢筋屈服强度。

IDEA StatiCa Detail 中 CSFM(协调应力场法)的实现在进行计算机辅助应力场分析时,默认采用平均裂缝间距。平均裂缝间距取最大裂缝间距的 2/3(λ = 0.67),这遵循了基于弯曲和拉伸试验所提出的建议(Broms 1965;Beeby 1979;Meier 1983)。需要注意的是,裂缝宽度计算采用最大裂缝间距(λ = 1.0),以获得偏于保守的结果。

TCM 的应用取决于配筋率,因此为每根钢筋合理分配裂缝间受拉混凝土面积至关重要。已开发了一套自动数值程序,用于确定相应的有效配筋率(ρeff = As/Ac,eff),适用于任意配筋构型,包括斜向钢筋(图 23)。

Fig. 23Effective area of concrete in tension for stabilized cracking: (a) maximum concrete area that can be activated;\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 23\qquad Effective area of concrete in tension for stabilized cracking: (a) maximum concrete area that can be activated;}}}Fig. 23Effective area of concrete in tension for stabilized cracking: (a) maximum concrete area that can be activated; (b) cover and global symmetry condition; (c) resultant effective area.\textsf{\textit{\footnotesize{(b) cover and global symmetry condition; (c) resultant effective area.}}}(b) cover and global symmetry condition; (c) resultant effective area.

非稳定裂缝

几何配筋率低于 ρcr(即钢筋能够在不屈服的情况下承担开裂荷载所需的最小配筋率)的区域中存在的裂缝,由非力学作用(如收缩)或由其他钢筋控制的裂缝扩展所引起。该最小配筋率的值按如下公式计算:

ρcr=fctfy−(n−1)fct{\rho _{cr}} = \frac{{{f_{ct}}}}{{{f_y} - \left( {n - 1} \right){f_{ct}}}}ρcr​=fy​−(n−1)fct​fct​​

其中:

fy              钢筋屈服强度,

fct             混凝土抗拉强度,

n              弹性模量比,n = Es / Ec 。

对于普通混凝土和钢筋,ρcr 约为 0.6%。

对于配筋率低于 ρcr 的箍筋,裂缝被视为非稳定裂缝,拉力刚化通过图 22b 所述的拔出模型(POM)实现。该模型分析单条裂缝的行为,不考虑独立裂缝之间的力学相互作用,忽略混凝土受拉变形,并采用与 TCM 相同的阶梯形刚性完全塑性粘结剪应力-滑移关系。这使得对于任意裂缝处最大钢筋应力(σsr),可直接由平衡条件得到裂缝附近的钢筋应变分布(εs)。由于非充分发展裂缝形态的裂缝间距未知,平均应变(εm)在任意荷载水平下,按钢筋在裂缝处达到抗拉强度(ft)时零滑移点之间的距离计算(图 22b 中的 lε,avg),得到如下关系式:

所提出的模型可计算有粘结钢筋的行为,该行为最终在分析中加以考虑。图 22c-d 示出了最常用的欧洲钢筋(B500B,ft / fy = 1.08,εu = 5%)的该行为(包括拉力刚化)。

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