第３ｌ卷第ｌ期 邢台职业技术学院学报 、厂０１．３１ Ｎｏ．１ ２０１４年２月 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＸｉｎｇｔａｉＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃＣｏｌｌｅｇｅ Ｈｅｂ．２０１４ 钢筋混凝土网格框架体系极限承载力分析 杨江波 ，张文霞 ，石志娜 （１．邢台职业技术学院，河北邢台０５４０３５；２．邢台万信工程设计咨询有限公司，河北邢台０５４０００） 摘要：通过对钢筋混凝土网格框架结构体系进行试验与有限元模拟实现了对该新型结构体系 承载力的理论研究，分析了网格框架受力性能的影响因素，归纳总结出了网格框架正截面承载 力的计算公式，为工程应用提供了理论依据。 关键词：钢筋混凝土；网格框架；承载力 ． 中图分类号：ＴＵ３７５．４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００ｇ ６１２９（２０１４）０１—ｏｏ８Ｏ—０４ 钢筋混凝土网格框架体系是一种新型的结构体系，该体系将网格框架墙体组成作为承重体系。前期 的研究结果表明该新型结构体系中的承重墙体具有良好的抗震性能、优越的节能特性、较高的强度以及 自重轻等优点。 根据试验结果对该体系的承重构件进行系统的归纳与理论研究，分析研究构件的受力机理、破坏模 式以及影响构件的力学性能因素，结合非线性数值模拟（ＡＮＳＹｓ）分析提出构件的承载力计算公式。 一、试验概况 本次试验共对５片新型结构体系的承重结构（网格框架剪力墙）进行了试验，编号为Ｑ１．Ｑ５。其中 Ｑ１．Ｑ４为网格框架剪力墙，Ｑ５为被选作对比构件的普通剪力墙。各构件尺寸及配筋如表１所示。 表ｌ 网格框架试件尺寸及配筋 试件 高（ｍ） 厚（ｍ） 宽（ｍ） 中柱 边柱 连梁 柱箍筋 连梁 编号 纵筋 纵筋 纵筋 箍筋 Ｑ１ １．１ Ｏ．７５ ０．４ ４ ６ ４ ８ ４ ｑｂ４＠３０ ＠６ｏ Ｑ２ １．１ ０．７５ １．０ ４ ４巾８ Ｉ４ Ｏ ＠６Ｏ Ｑ３ １．１ Ｏ．７５ １．０ 钟６ ４ ６ ４ ＠３Ｏ ｄｐ４￣６０ Ｑ４ １．１ ０．７５ １．６ ６ ８ 钟４ ４＠３Ｏ ￣４＠６ｏ Ｑ５ １．１ Ｏ．７５ １．０ 对构件进行低周反复加载试验，直到构件承载力下降到极限７５％或构件破坏时停止试验。 二、网格框架受力机理分析 通过试验可以明显看出构件Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３发生了整体的弯曲型破坏。所谓弯曲型破坏即构件的连梁 纵筋是逐次进入屈服阶段，边柱与中柱的纵筋也是逐次进入屈服阶段，连梁两端形成了塑性铰机制，使 得能量通过塑性铰进行耗散。这种弯曲型破坏的构件形态的变化使结构的延性得到了大幅度的提升，所 以弯曲型破坏是一种比较理想的破坏形态。构件Ｑ４的破坏模式为剪切破坏，Ｑ４中柱受力钢筋还没有达 到屈服，混凝土就发生了剪切破坏，该破坏为典型的脆性破坏且构件的延性较其他构件也较差。通过 ＡＮＳＹＳ模拟不同强度混凝土与不同轴压比的破坏模式，构件的混凝土的强度与轴压比对破坏模型影响不 收稿日期：２０１３—１２—０９ 基金项目：２０１ ３年度河北省高等学校科学研究计划项目一一‘‘建筑围护结构的生命周期评价研究”，课题 编号：ＳＺ１３３０３１；２０１２年度邢台市科教研究与发展计划自筹经费项目（第二批）一一“高土石坝筑坝材 料震后坝体永久变形分析”，课题编号：２０１２ＺＣ１５９；２０１３年度邢台市科技支撑计划项目一一‘‘装配整体式 空间钢网格盒式结构在民用住宅的应用研究”，课题编号：２０１３ＺＣ０２８。 作者简介：杨江波（１９８３一），河北磁县人，邢台职业技术学院，助教。 ８０ 邢台职业技术学院学报 ２０１４年 第１期 大。 因此，网格框架剪力墙破坏形态的主要影响因素为剪跨比。随着构件剪跨比的减小，构件的破坏形 式由整体弯曲型破坏变为整体剪切型破坏。其他因素对构件的破坏形式影响不大。 三、网格框架承载力研究 根据网格框架试验与数值模拟计算结果以及上述分析，可知当构件剪跨比较大时，整体弯曲变形明 显，构件的破坏形式以弯曲破坏为主，构件的内力中弯矩为主控内力，正截面主要受到压力与弯曲的作 用，所以压弯承载力是构件的承载计算内容。而剪跨比较小的构件恰恰相反，该类构件的破坏形式为剪 切型的破坏，剪力在内力中起到主控作用，整体上基本没有弯曲。剪切破坏为脆性破坏，因此我们主要 通过对构件的正截面压弯极限承载力进行分析实现对网格框架的极限承载力研究。 在竖向轴力与水平反复荷载的相互作用下，构件Ｑ１、Ｑ２和Ｑ３的边柱与中柱中有部分截面受到压力 作用，部分截面受到拉力作用，很显然构件Ｑｌ、Ｑ２与Ｑ３为压弯构件，如图１、２所示。而压弯构件的 破坏形态有两种，分别为大偏心受压构件与小偏心受压构件。无论那种破坏形态，构件最终都会因为部 分受压截面的压应力超过材料本身的承载能力而发生破坏，即受压区的混凝土压碎，从而使得构件失去 承载能力而破坏，此时构件根部的轴向压力值 。与弯矩值 －就是构件的正截面压弯极限承载力。 图１构件Ｑ３Ｙ方向应力图 图２构件Ｑ３钢筋应力图 将距离网格框架柱根部１００ｒａｍ处的截面作为研究对象，将此处的数值模拟结果取出，绘制出该处的 截面应变分布图（图３）。由图３可见，每个柱的应变在距离网格框架柱根部１００ｒａｍ截面处大体呈直线分 布。 ３．００Ｅ ３ ２．００Ｅ ３ ｒ ｌ １．００Ｅ ３ ／ ０．００ｌＥ＋ｏ０ 八 ， ． 。． ． ．／１ ． ．／ ．－１．００Ｅ－０３ ／ 。 ’ 。ｅ ’ 。 —２．００Ｅ—Ｏ３ ／ＤＩ￣／ｍｑ ｆ —３．００Ｅ ３ ￡ ．４．０ｏＥ－ｏ３ 图３ 网格框架Ｑ３距根邵１００ｍｍ处截面．匝燹图 根据平衡方程，列出压力与弯矩的承载力表达式如式（１）与式（２）所示。 ∑Ⅳ＝ｏ Ⅳ＿＝ ＋ⅣＪ・一Ⅳ｜ ，（１） ∑ ＝０日 ＝ ＋ ＋ （２） 式中： Ⅳ＿、 一为构件距根部１００ｍｍ处截面上所受到的极限轴向力和极限弯矩； Ⅳｃ、 一为构件距根部１００ｒａｍ处截面上受压区混凝土所受到的轴向力和弯矩； ・、 —为构件距根部１００ｒａｍ处截面上受压钢筋受到的轴向力与弯矩； ８ｌ 邢台ＩＰ，ｑ＿ｋ技术学院学报 ２０１４年 第ｌ期 、 ——为构件距根部１００ｍｍ处截面受拉钢筋受到的轴向力与弯矩。 构件在截面上受到的压（拉）力与弯矩分别为： Ｎ ｃ艺 ＝ｉ＝Ｉ ｉ－ｌ （ ）．６． ＝∑ ・ ⅣＪ＝∑ ・ ＝∑Ⅳｄ・／－！ 厶 ＝∑ ・ ・ｚＩ ／－ｌ Ｍ．．＝●‘一●∑ ・ｆ ・‘ ・ 厶＝（ＪＩｌ一 ＋ ）＋ Ｉ＋（ １Ｘｌ＋ＪＩＩ） ＝甓筹＝篙等 （１０） 式中： ０ 一—第１个柱子距根部１００ｍｍ处截面受压区混凝土所受到的压应力之和； ＾ｄ） ） ） ） ） ） ） —第１个柱子截面处混凝土的有效受压区高度；＠ ６ｃ／—第１个柱子在截面处的混凝土所受到的应变（压）； Ｄ—构件的截面宽度，即网格框架墙体的厚度； ｕ ’、 ｉ—柱子纵向受力钢筋的截面拉应力与压应力： 、’ｊ—柱子纵向受力钢筋的受拉与受压钢筋面积； ‘ｉ‘ｆ—、第ｚ根纵向受拉、压钢筋到构件中心线的距离； —构件的截面高度； ． １——构件的跨度； ｃｊ——第ｌ根柱子压应力合力到该柱中和轴的距离； ｌ——自中心线起的柱子编号。 通过以上公式进行应力计算，并与数值模拟（ＡＮｓＹｓ）和试验计算所得轴力、弯矩相比较，其结果 如表２所示。由表２可见，将数值模拟（ＡＮＳＹｓ）得到的截面钢筋与混凝土的应力代入公式ｌ与公式２ 中得到的轴力、弯矩比普遍小于试验加载值；除构件Ｑ２的计算弯矩比加载值小外，构件Ｑｌ与Ｑ３所计 算出的弯矩值比加载值大，但误差值都不超过１０％。 表２网格框架正截面压弯承载力 按有限元结果计算 试验加载 试件编号 轴力（七Ⅳ） 弯矩（．ｔⅣ－肘） 轴力（七Ⅳ） 弯矩（埘・Ｊ，１） Ｑ１ ６５．９５ ２１．４９ ７０ １９．７６ Ｑｌ２ １２７．５１ ４４．５ｏ １柏 ４９．１６ Ｑ３ １１８．１３ ４８．Ｏ２ ｌ柏 ４７．３７ 邢台职业技术学院学报 ２０１４年 第１期 四、总结 ’ 通过对钢筋混凝土网格框架结构体系进行试验与有限元模拟实现了对该新型结构体系承载力的理论 研究。对影响网格框架破坏形式的因素进行了分析，认为其主要影响因素为剪跨比，随着构件剪跨比的 减小，构件的破坏形式由整体弯曲型破坏变为整体剪切型破坏。轴压比与混凝土强度对构件的破坏形式 影响不大。 归纳总结出了网格框架正截面承载力的计算公式。将试件实际截面代入公式进行计算，得到的计算 值小于试验值，但误差不大，说明通过公式计算出的结果偏于保守但能满足要求，所以该计算公式有较 高的可靠度，为该结构体系在工程设计中的应用提供了理论依据。 参考文献： ［１］ｌ东南大学，同济大学，天津大学．混凝土结构（第三版） ．北京：中国建筑工业出版社，２００６． 【２】中华人民共和国住房和城乡建设部．ＧＢ５００１０－－２０１ｉ），混凝土结构设计规范【Ｓ】．北京：中国建筑工业出版 社，２０１１． 【３】过镇海．混凝土的强度和本构关系一原理与应用口哪．北京：中国建筑工业出版社，２００４． Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｕｌｔｉｍａｔｅ Ｌｏａｄ ｏｆ ｔｈｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｏｆ Ｒ．Ｃ．Ｇｒｉｄ Ｆｒａｍｅ ＳｔｒＩｌｃｔｕｒｅ ＹＡＮＧ Ｊｉａｎｇ－ｂｏｌ，ＺＨＡＮＧ Ｗｅｎ－ｘｉａｌ，ＳＨＩ Ｚｈｉ－ｎａ２ ０￣ａｎｇｔａｉ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｃｏｌｌｅｇｅ，ｘｉｎｇｔａｉ，Ｈｅｂｅｉ ０５４０３５，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｘ￣ｇｔａｉ Ｗａｎｘｉｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｃｏｎｓｕｌｔｉｎｇ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．， 酬，Ｈｅｂｅｉ ０５４０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｏｆ Ｒ．Ｃ． ｄ ｆＪ￣Ｒｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ａ ｎｅｗ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｓｙｓｔｅｍ，ｗｉｔｈ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｇｏｏｄ ｓｅｉｓｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｅｎｅｒｇｙ—ｓａｖｉｎｇ，ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎｇｔｈ，ａｎｄ ｌｉｇｈｔ ｗｅｉｇｈｔ ａｎｄ ｓｏ ０１１． Ｂａｓｅｄ Ｏｉｌ ｔｅｓｔ ｏｆ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｓｕｌｔｓ，ｔｈｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ｔｈｉｓ ｎｅｗ ｆｒａｍｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓ ａｎａｌｙｚｅ，ｔｈｅｆａｃｔｏｒｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｔｈｉｓｇｉｄｆ／＇ａｍｅｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄｔｈｅ ｎｏｒｍａｌ ｓｅｃｔｉｏｎ ｂｅａｔｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ｆｏｒｍｕｌａ ｏｆｔｈｉｓ ｄ ｆｌ＂ａｍｅ ｉｓ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｂａｓｉｓ ｆｏｒｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆｔｈｉｓ］ｌ＇ｄｎｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｎ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｒ．Ｃ．Ｇｒｉｄ６锄ｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ （责任编辑鲍东杰）
