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技术支持中心知识库文章4.3 承载能力极限状态分析
4.3 承载能力极限状态分析
ConcreteKnowledge baseDetail 2DEN (Eurocode)Cracks

4.3 承载能力极限状态分析

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

EN 1992-1-1 要求的各项验算均基于模型直接给出的结果进行评估。承载能力极限状态验算包括混凝土强度、钢筋强度以及锚固(粘结剪应力)验算。

混凝土抗压强度通过有限元分析得到的最大主压应力σc = σc2与限值σc,lim = fcd之比进行评估。 

钢筋强度在受拉和受压两种情况下均通过裂缝处钢筋应力σsr与规定限值σs,lim之比进行评估:

σs,lim=k⋅fykγsfor bilinear diagram with inclined top branchσ_{s,lim} = \frac{k \cdot f_{yk}}{γ_s}\qquad\qquad\textsf{\small{for bilinear diagram with inclined top branch}}σs,lim​=γs​k⋅fyk​​for bilinear diagram with inclined top branch

σs,lim=fykγs    for bilinear diagram with horizontal top branchσ_{s,lim} = \frac{f_{yk}}{γ_s}\qquad\qquad\,\,\,\,\textsf{\small{for bilinear diagram with horizontal top branch}}σs,lim​=γs​fyk​​for bilinear diagram with horizontal top branch

其中:

fyk        根据 EN 1992-1-1 第 3.2.3 条确定的钢筋屈服强度,

k          抗拉强度ftk与屈服应力之比,
            k=ftkfykk = \frac{f_{tk}}{f_{yk}}k=fyk​ftk​​

γs             为钢筋的部分安全系数

粘结剪应力单独通过有限元分析计算得到的粘结应力τb与根据 EN 1992-1-1 第 8.4.2 章确定的极限粘结强度fbd,之比进行评估:

τbfbd\frac{τ_{b}}{f_{bd}}fbd​τb​​

fbd=2.25⋅η1⋅η2⋅fctdf_{bd} = 2.25 \cdot η_1\cdot η_2\cdot f_{ctd}fbd​=2.25⋅η1​⋅η2​⋅fctd​

其中:

fctd      为根据 EN 1992-1-1 第 3.1.6 (2) 条确定的混凝土抗拉强度设计值。由于高强度混凝土脆性增大,fctk,0.05 根据 EN 1992-1-1 第 8.4.2 (2) 条限定为 C60/75 的取值

η1       为与粘结条件质量以及浇筑过程中钢筋位置相关的系数(图 31)。

当获得“良好”条件时 η1 = 1.0,

其他所有情况以及采用滑模施工的结构构件中的钢筋,η1 = 0.7,除非能证明存在“良好”的粘结条件

η2        与钢筋直径相关:

            当 Ø ≤ 32 mm 时,η2 = 1.0

            当 Ø > 32 mm 时,η2 = (132 - Ø)/100

Fig. 31EN 1992-1-1 Figure 8.2 - Description of bond conditions.\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 31\qquad EN 1992-1-1 Figure 8.2 - Description of bond conditions.}}}Fig. 31EN 1992-1-1 Figure 8.2 - Description of bond conditions.

在 IDEA StatiCa Detail 中,粘结条件按照图 31 c) 和 d) 予以考虑。可在软件中为每个项目单元设置浇筑方向,操作如下。

这些验算均针对结构相应部位的适用限值进行(即:尽管混凝土和钢筋材料各自只有单一等级,但由于拉力刚化和压力软化效应,结构各部位最终的应力-应变曲线会有所不同)。

此外还可选择模拟光圆钢筋。更多信息请参见:Detail 中的光圆钢筋

总力Ftot和极限力Flim

总力Ftot是有限元分析的结果,可通过两种方式定义。

Ftot=As⋅σsF_{tot}=A_{s}\cdot \sigma_{s}Ftot​=As​⋅σs​

其中As为钢筋截面面积,σs为钢筋应力。

或者作为锚固力Fa 与粘结力Fbond.之和。

Ftot=Fa+FbondF_{tot}=F_{a}+F_{bond}Ftot​=Fa​+Fbond​

其中Fa为锚固弹簧中的实际力,Fbond为粘结力,可通过沿钢筋长度l.对粘结应力τb进行积分得到。

Fbond=Cs⋅∫0lτb(x)dxF_{bond}=C_{s} \cdot \int_{0}^{l}\tau_{b}\left( x \right)dxFbond​=Cs​⋅∫0l​τb​(x)dx

Cs为钢筋的周长。

极限力Flim是考虑钢筋极限强度以及锚固条件(混凝土与钢筋间的粘结以及锚固弯钩、弯环等)后,钢筋单元中的最大力。

Flim=min(Flim,bond+Fau,Fu)F_{lim}=min\left( F_{lim,bond}+F_{au},F_{u} \right)Flim​=min(Flim,bond​+Fau​,Fu​)

Fu=k⋅fyd⋅AsF_{u}=k\cdot f_{yd}\cdot A_{s}Fu​=k⋅fyd​⋅As​

Fau=β⋅k⋅fyd⋅AsF_{au}=\beta\cdot k\cdot f_{yd}\cdot A_{s}Fau​=β⋅k⋅fyd​⋅As​

Flim,bond=Cs⋅l⋅fbdF_{lim,bond}=C_{s}\cdot l \cdot f_{bd}Flim,bond​=Cs​⋅l⋅fbd​

其中 Cs为钢筋周长,l为从钢筋起点到所考察点的长度。

Fig. 32Definition of the limit force Flim\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 32\qquad Definition of the limit force Flim}}}Fig. 32Definition of the limit force Flim

Flim,2=Flim,1+Flim,addF_{lim,2}=F_{lim,1}+F_{lim,add}Flim,2​=Flim,1​+Flim,add​

其中Flim,add为根据相邻单元之间夹角大小计算得到的附加力。Flim,2必须始终小于Fu。

CSFM 中可用的锚固类型包括直筋(即无锚固端折减)、弯折、弯钩、弯环、焊接横筋、完全粘结以及连续钢筋。图 32 展示了纵向钢筋所有这些类型及其相应的锚固系数β,图 33 则展示了箍筋的相应情况。所采用的锚固系数取值均符合 EN 1992-1-1 第 8.4.4 节表 8.2 的规定。需要注意的是,尽管有多种可选类型,但 CSFM 仅区分三种锚固端类型:(i) 锚固长度不折减,(ii) 采用标准化锚固时锚固长度折减 30%,以及 (iii) 完全粘结。

Fig. 33 Available anchorage types and respective anchorage coefficients for longitudinal reinforcing bars in the CSFM:\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 33\qquad  Available anchorage types and respective anchorage coefficients for longitudinal reinforcing bars in the CSFM:}}}Fig. 33 Available anchorage types and respective anchorage coefficients for longitudinal reinforcing bars in the CSFM:

(a) straight bar; (b) bend; (c) hook; (d) loop; (e) welded transverse bar; (f) perfect bond; (g) continuous bar.\textsf{\textit{\footnotesize{(a) straight bar; (b) bend; (c) hook; (d) loop; (e) welded transverse bar; (f) perfect bond; (g) continuous bar.}}}(a) straight bar; (b) bend; (c) hook; (d) loop; (e) welded transverse bar; (f) perfect bond; (g) continuous bar.

Fig. 33 Available anchorage types and respective anchorage coefficients for stirrups.\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 33\qquad  Available anchorage types and respective anchorage coefficients for stirrups.}}}Fig. 33 Available anchorage types and respective anchorage coefficients for stirrups.

Closed stirrups: (a) hook; (b) bend; (c) overlap. Open stirrups: (d) hook; (e) continuous bar.\textsf{\textit{\footnotesize{Closed stirrups: (a) hook; (b) bend; (c) overlap. Open stirrups: (d) hook; (e) continuous bar.}}}Closed stirrups: (a) hook; (b) bend; (c) overlap. Open stirrups: (d) hook; (e) continuous bar.

为符合 EN 1992-1-1 的要求,计算中应使用锚固弹簧,该锚固弹簧通过系数β进行修正,因此用户在定义钢筋起点和终点条件时必须使用某种可用的锚固类型。 

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