外文翻译-框架结构设计

在混凝土框架结构下膜的影响

—在框架结构的设计变化的一个建议

A.W. Beeby 利兹大学，土木工程学院

摘要

本文关注的是框架的行动或钢筋混凝土框架的行为的影响。设计实验探讨在框架极限条件。结果表明该框架梁、柱的延性破坏脆性破坏的程度取决于端部约束的柱梁设置。其中对于膜的最显著的影响是框架是施加于该柱的弯曲力矩。因为膜的里的改变，在柱子或框架破坏的瞬间，力的分布和大小不同于用正常分析方法所预测的。钢塑性分析是用接近理论破坏的方法。这种方法再加上柱子的极限刚度估算，能够预估出破坏条件。试验与理论的结合下提出了一种允许在框架薄膜效应下的设计方法。2000年Elsevier科学有限公司和民间金宝有限公司保留所有权利。

1. 景区简介

人们已经认识到从实验和理论研究认识到，如果约束增强不足，梁被加载到任意截面开裂或以上的水平，这将导致轴向力增加。由于混凝土是薄弱的张力，裂缝发生在最大压力构件的部分，甚至在很小变形。最初在的中和轴，中层深度的成员，将朝着压缩产生的水平延伸区的重心移动。如果这个扩展受到抑制，轴向压缩力增加。由于变形相对于构件的深度很小，压缩力作用在中间的行为凌驾于压缩力在末端并且那种拱形发展将支持一个显著的外部负载。从图1中可以看出这一点。塑性理论的发展和其他更严格的的分析方法可能导致工程师认为，目前的设计方法做了合理的最终行为准确地反映。然而，这些方法忽略压缩膜行动。在过去的30年，压缩膜行动已经若干学者研究的课题，试图产生更经济的设计方法，特别是对砖。此现象显然是公认的板建设先驱。如Gvozdev[1]。在随后几年中，已进行实验研究出[2-4]一个完整的建筑，板系列在实验室的研究方案和未加固砖梁之间的刚性支撑限制。他们都表现为弯曲破坏的极限荷载超过正常的设计方法预测。在基础研究的弹性和塑性方法板设计，木材[5]确定了修改屈服准则横向内敛板坯上的相互作用是从硬质塑料理论根据膜力和弯矩而得。这一理论标志着真正的研究一个合理的方法将压缩薄膜效应分析钢筋混凝土板的开始。其他理论研究遵循并且特性克制，砖现在能够合理地理解。对于板克制，扩展可能会提供周围板面板或由硬质元素，如核心壁结构，强度的增加产生的约束可以是非常大。在梁钢架结构，可以增强实力预计将一般比较小，约束通常是只由柱提供，这个一般相当灵活。

图1 负载下变形的钢筋混凝土梁

工作守则一般都没有引进膜行动的设计，因为难以界定的约束条件由于所加的复杂性引入设计。然而，压缩膜量比简单的提高板坯的行为更有效果：如果横向力发展那么他们必须支持柱。柱也必须适应任何扩大并且无不良影响（图2）。

图2. 框架膜力的开发图3 多面板钢筋混凝土框架

2实验方案

一个设计来测试试样的端跨度建模在一个多面板钢筋混凝土框架（图3）。该方案的主要目的是建立数据上的力分布在一个简单的框架时，在框架的梁被加载到破坏。影响钢筋混凝土框架结构行为的主要变量可以概括如下：（1）在梁的钢筋将被装载到破坏的量

（2）结构的刚度。这将取决于的横截面尺寸和跨度，柱尺寸和柱上的负载（3）混凝土和钢筋性质

（4）柱和梁的跨度深入比

（5）加载性质

在本研究中，考虑的主要变量加固在梁的量和不同的柱的开裂弯矩将修改刚性柱荷载。测试计划包括6个钢筋混凝土试件。以下测试程序的纲要：

2.1测试样本的选择和钻机的设计

试样的目标是在模型条件的端部和矩形的钢筋混凝土柱框架跨度端。由于可用的测试框架容量限制，标本的设计大约半音阶模型的实际框架。点与点之间的整体高度选择为3.6米，梁的长度，对应约2/3的跨度，为2.2米。在这个规模，规模效应不显著。有关的列于表1和表2和图 4和5。

试验台的设计的主要要求从图3中可以看出。这些是：

（1）上端和下端的列被假定为固定，但能够传递垂直载荷

和剪力

（2）梁的端部的模拟禁止弯曲点进一步从端支承，并且需要再固定，但能传递轴向力和剪切。它也不含一些有限程度偏转钻机详细信息示于图 4。

图4 详细的测试图5 试验片的详细信息（I-1）

2.2 仪器仪表

梁和柱的挠曲测定在13分，使要建立的试样的形状偏转。横梁钻机的偏转也要被测量。这一点，与借助提供前校准的钻机，为测得的负载单元提供了检测。千分表被固定在轻钢结构桥从测试框架获得独立支撑。混凝土的质量，测定压缩和张力面的梁，并柱的两面上使用一个千分表。所有测试点的定位是相同的。2.3 测试

铸造一个星期后，从模板移除试样，过了些日子，在钻机上被定位。手压泵用于操作液压千斤顶。在每次试验的开始，参考应变计和千分表的读数记录。加载进行如下两个阶段：在第一个阶段，所需的轴向施加载荷的增量的柱和柱的挠曲和应变测量，梁的行为也需要检查。在第二阶段中，负载逐渐施加给梁。在负载中的每个增量后采取一套完整的读数。载荷为最初在5千牛顿的增量，然后在10千牛后递增到裂缝出现。接近屈服时缓慢增加负载，直到递增达到破坏荷载。在每一个载荷增量的测试标本检查是否有裂纹，通常第三或第四的载荷增量后出现。

3 试样性能研究

3.1 开裂模式和破坏模式

监测每一个试样开裂的传播。在测试过程中标本裂缝发展可分为两组。第一组包括所有受弯而出现裂缝的梁和柱，第二组由轴向力导致横梁裂缝甚至破坏和梁上的横向力导致柱子破坏。在所有的框架，六个开裂阶段之前确认破坏（图6）。

两种类型的破坏的发生：

1 梁破坏：这种情况发生在试样的I-1，I-2和1-3柱上具有较低的轴向载荷。破坏是由钢筋的拉伸屈服在试样I-1和I-2中，首先在该点梁的最大正弯矩区和附近的支撑。最后的破坏导致从破碎的混凝土的末端，跨中。这些试样破坏发生导致在梁形成两个是非常韧性的塑性铰。

2 这种情况发生在试样脆性破坏的柱：II-1，II-2和II-3，它在柱上有较高的轴向载荷。出现这种破坏模式像一个梁柱节点破坏然而产生破坏表明斜裂缝在组合中是次要的，只有后形成的混凝土已开始粉碎。共同的破坏将启动具体的组合斜裂缝和破碎的混凝土支柱之间的缝隙[6]。

在所观察到的破坏模式和开裂的混凝土的基础上,这很明显可以看出，无论是框架中的柱的较高的轴向载荷脆性破坏还是在该框架中较低的轴向载荷对柱柱的断裂机理，压缩膜的行动有显著影响最终的标本行为。破坏的试样的裂缝模式示于图II-3和I-1。图7（a-c）

3.2 分布在柱子上时

整个试验过程，同时在顶部和底部柱反应记录。柱的瞬间从产品的端反应获得和从支撑柱测量长度。最显著的膜力的效果的是施加在柱上的弯曲力矩，示于图 8。与此相比，在柱上获得的弯矩图中弹性分析忽略了膜力和那些测量的上梁的最大负载。这可以看出，实际柱可能高达七次忽略膜力矩的计算值。较高的柱负载是有较大的影响。

3.3 极限载荷

所有试样的极限载荷列于表3中。预测值进行计算，框架和截面使用弹性分析的方法BS8110忽略膜力实际故障负荷的预测值的比率范围在1.04-1.63。

图7 （a）II-3试样试验后的开裂的详细信息

（b）I-1 试样中试验后的开裂详细信息

（c）测试试样I-1和II-3样品的开裂详细信息

4 钢筋混凝土框架结构新的设计方法

这种方法几乎普遍使用在钢筋混凝土框架结构的设计最初的开发设计方法时有效地承担钢筋混凝土脆性材料的弹性正如我们了解在钢筋混凝土开发，设计方法已经有点改变，但没有真正改变。

开发和引进极限荷载设计的理由是它提供了一个明确的实际发生了破坏模型并因此允许更可靠的设计事实上，它是没有必要因为我们的行为模式是准确的，只是它不应该是不安全的。然而经济压力的行为以改进模型，使其更精确，这样一个可以实现更均匀的安全水平。

它已被证明在这项研究中，分析常用模型被用来预测力的分布包括破坏附近的结构，在某些情况下，的确是非常不准确的。因此，有必要考虑当前的方法是否充分的或是否需要改善，这个问题不可能会那么简单，因为。考虑到框架端部的行为，很显然，柱中的瞬间力可以在梁的破坏显著的超过由电流计算方法。但是，增强梁的强度由压缩膜作用的影响。因此，破坏载荷必须大于实际，以满足当前的安全要求。这是可能的论证，因此，分布的矩最终非常不同的实际上是不重要的。但是，这种说法困难。

在设计极限荷载，柱瞬间力基本上大于计算，这会似乎会增加破坏的概率的柱上述所隐含经典方法。考虑的另一个因素是破坏的模式是可以接受的。它已经看到，在那里柱子的设计承受沉重的轴向载荷，可能导致梁的端柱产生脆性破坏。这反过来，可能会导致破坏的不支持荷载。因此，一个跨度的梁的有限破坏可能有比期望后果更严重的。BS8110中的稳健性规则的基本概念：如果一个成员破坏，那么，剩余的成员应该是能够站立，虽然有些可能处于损坏状态。捆扎规则的目的是确保能做到这一点。可以说，如果破坏的梁，在任何负载，在一个附加的柱脆性破坏的结果，那么这项基本要求的稳定被破坏并且结构不会坚固。如果这种说法被接受，那么必要的手段必须找到确定的情况下的超负荷的的梁导致破坏的柱和一个设计提出的方法，以确保它不会发生。即使它可以表明，过早的破坏不会发生，留下一个不可避免的结论目前的分析方法不这样做，以较大优势：

给出一个准确的图片濒临绝境的条件。我们目前的整个逻辑似乎质疑框架程序设计以来：如果最终的负载的方法并不能合理地预测实际行为，似乎有一点优势，其使用过旧的服务负载的方法。也许我们应该：

或者（1）开发设计/分析方法模型的实际行为；

或：（2）弃极限荷载的设计，并转移到可维护性的方法。

这第二种方法已被建议在最近的文献[7]。第一种方法可以实现以下阶段：（1）制定一个简单的程序来查明情况列可能会破坏

（2）制定这些情况下，设计一个简单的设计过程，可以采取要求的形式, 反过来施加到每个部分的水平载荷设计

表3 实验和分析的极限载荷的比较

5 推导的设计方法

我们的目标是开发和验证模型，被用来预测经受垂直和水平载荷的框架的最终行为。由于我们只考虑在最终大变形的条件正在发生的变形的刚性塑料的分析，扩展允许支承刚度，似乎是一个方便的起点。完整的分析，提出了参考。图[8]

图8 弯曲实验瞬间力分布的比较在柱破坏

的附近和弹性分析忽略膜效果

（阴影区表示计算出的弯矩大小）

5.1 预测的破坏模式

在本部分中考虑预测是否崩溃的方法因为有柱或梁的破坏。这将首先通过分析一个横向钢筋混凝土约束崩溃的行为的梁作为一个功能的克制柱其次是估计柱的端部的最终偏转并且估计柱崩溃的瞬间刚度。分析中给出的参考[8]给出了以下在梁的膜力计算公式为：一个边界条件并且对应的偏转为零的轴向载荷。其他研究人员已经假设n = 0时的偏转0.5-0.7的有效深度D。在这项研究中，早期发展膜力是更重要的，它似乎更好地假设n= 0时的开裂弯矩达到并因

此偏转计算此条件。

Su是约束梁最终提供的柱的刚度。这是来自通过估计的柱的最终偏转。崩溃的柱假设发生的压缩应变的关键部分在柱达到欧盟（假定0.0035）。在关键

的曲率部分由下式给出：假设（保守）的曲率图的形状是相同的弯

曲的形状弯矩图，偏转由下式给出：这实际上是相同的假设，BS8110

和欧洲法规2的计算最终的细长的柱子偏转。k是一个常数的弯曲的形状取决于弯矩图。在分析细长的柱子，k为视为1/π2或1/10。对于一个中心点，一个简单负载支持梁，K= 1/12。对柱的横向载荷Nu，这相当于最终的偏转：Au可以通过简单的计算统计和标准一段受到瞬间力和轴向负荷的行为的方法。例如，对于在这个项目的测试样本，其中负载Nu柱中瞬间力由下式给出：Mu=Nu L/4。其中，L是上部和下部的长度的总和在柱上的刚度，Su：可以从Su=Nu/Au计算出。测试数据的存在在文献中这将允许这一预测的合理性进行检查。Lloyd和Rangan[9]下测试了一系列柱偏心压缩和记录的偏差最大负载和最大力矩。最大瞬间力的具体情况下，开始粉碎对应于以上考虑的条件。该公式可以用于预测的偏转然后可以与实验结果比较。这是在图 9，用于所有Lloyd和Rangan的测试：在极限荷载的比例的中性轴深度的有效深度：X / D：大于0.5。将会看到，计算总体上是好的。进一步的数据可以从一些更旧的的工作报告由Baker和Amarakone[10]。这些进行测试的合作研究项目在许多国家，以建立许多实验室最终的塑性铰转动能力加强部参考文献。 [10]总结了这一工作。大部分数据涉及到下增强的成员，但有数据为大约23个梁中性轴破坏时的时间超过0.3，这些已被用来检查该公式的效率。参考文献。 [10]记录最终的旋转，而不是最终的偏差但所使用的方法，用于导出的偏转可以同样可以很好地用于以计算支持旋转。计算和实验的旋转比较在图10。人们将会看到，该协议是合理的。上面介绍的比较表明建议的公式是充分作为一种手段获得的估计值的柱的最终偏转和柱最终提供的刚度该方法只限于条件下极限力会发生破坏。这通常是柱多层的框架结构的情况下。

图9加强部的偏转计算的关系的最终实验

最糟糕的设计条件是在海湾的框架，所有的膜力，必须抵抗的外柱。在内端，水平方向的力将抵抗了超过一个柱子。假设上述外柱仅在破坏点，而剩余的柱考虑到仍然表现弹性。这些柱刚度，因此可以建立的正常弹性的考虑。开发的行为的方程收缩板[8]假设一个对称的系统，左手和右手的向外运动支持是相同的，

并且跨中是零的水平运动。一般的情况是不同的，左手和右手的支持将不同的刚度Seff所需或Seff，在公式中使用时，会给出正确的答案。允许的不足对称。

这可以通过使用一种有效的实现刚度Seff这样定义的：

柱的破坏会发生，如果一个值束偏转，可以发现满足Eq（1），Eq （1）可改写为：对于任何给定的柱和梁的，左手侧是已知

的，因此，我们可以这样写现在的问题是，这是否方程式可以解

决的。回答这个问题的方法是可以理解的。实际上，如果右手侧绘制的偏转。这示于图 11。

图10 计算结果与实验最终旋转关系图11 典型偏转之间的关系中a和K. 如果K，计算出特定的梁和柱考虑，小于KMIN那么没有解决方案是可能的

而一个解决方案是可能的为K.Kmin。如果没有解决方案是的梁可能会破坏，而

不会导致柱而如果K.Kmin，柱将破坏之前倒塌大梁。从可确定Kmin考虑的是，

对于最低：dK/da=0，这导致：替换回，将给予Kmin的比较与K

然后，定义的破坏模式。然而发现，Nu与比较Nu（min）Nu（min）的计算方法

是替代a（min）入方程Eq （1）可能会更好。此外，Nu（min）接近偏转D（常识表明，这是正确的，对应于的梁），因此，没有必要计算a（min）。

6比较预测的理论模型与试验结果

理论预测的破坏模式的试样在表4和表5所示从表5中，可以看出，该破坏模式被正确预测因此，这种方法似乎预示充分破坏模式的钢筋混凝土框架结构。

表5 破坏模式的预测和测试结果比较

7参数研究

上述模型，现在可以进一步用来研究的各种参数的行为的框架的效果。为了详细研究每个参数的影响，如图所示，一个典型的框架。，图12并且数据在表6中，作为一个整体。认为是一个合理的实际的典型框架。为方便起见，假定列有一个管脚在中等高度。这可能会导致过高地估算所选择的尺寸的柱的真实刚度。

调查的主要参数是：柱的大小，梁高，梁宽，柱长，梁的长度，柱加固，梁的配筋，柱负载，混凝土的强度。这些变量每一个将在框架的破坏模式的方面进行研究。结果将提交于柱交互图，（N/bh2 M/bh2），制定不同的加固比率。上述参数的模式的效果的定义上的相互作用区域图中显示会发生破坏梁或柱。另外，在图13（a到e），画线的每个组合的值。线以上的区域，框架将随着主的破坏而破坏，在该线下方的区域，该框架梁会发生韧性破坏。人们将会看到的是： A 柱轴向应力产生了重大影响破坏的框架模式作为一个增加轴向力，增加的负载会导致破裂，因此需要增加了刚性

B 增加柱的大小和柱钢筋比增加了框架以上的轴向应力，框架会随着柱的破坏而破坏

C 增加梁的深度和宽度，提高了膜力和降低负载使该柱破坏

D 增加梁的长度，减少了膜力和增加的负载，导致柱破坏

E 减少柱的长度增加了刚度的支持和增加了膜力和减少了负载导致柱破坏。

图12 详细的用于的框架参数表6 使用的变量参数

图13（a-e）柱尺寸对梁高，梁宽，柱长和梁的长度上破坏的模式的影响

8 框架的设计方案

它已被证明的主要参数之一定义的行为中框架的最终条件是柱中轴向应力。将控制刚度通过控制柱开裂的状态并且开发了在梁的膜力的压缩。如果柱不有足够的强度来承受的横向力然后该框架将破坏通过破坏的的柱而不是由破坏的的梁。参数的研究也表明，它是可能的定义每个参数框架接近破坏的的行为的效果的性质和规模。使用的分析方法和参数的研究，进行了一个统计分析推导出一个简单钢筋混凝土框架的设计方法。设计方法，提出了每个梁经柱节点轮流在一个海湾框架末端的横向力，NC。横向力，NC，将代表的压缩膜的效果力施加于柱破坏时，通过梁被理想化为最大压膜力的一个函数，可以建立梁和梁和柱的刚度比。它是由：Nc=Kd x Fb。Nc是梁柱节点要施加到柱的横向力而FB是在梁可发展最

大的力，假设的x / d的值为0.5， FB可以计算，由下式给出：。

Kd是一个柱配筋率系数，柱轴向应力，柱和深度的深度和跨度，

梁的高度和跨度。通过使用一个参数研究这已经被发现合适的方程[8]为：

而

通过使用这种关系和FB方程和NC，所设想的设计过程如下：

（i）考虑适当的负载分布，将是最坏的该框架的条件

（ii）设计的梁应用此负载

（iii）设计柱的横向力，NC。柱的上半部分的总和将被视为是中间支承下半部分可以被认为刚性支撑和固定支持。

由式可以看出Eq （3）一种替代方法来设计用于柱上膜效应是忽略对受拉钢筋面积增加，膜指向力平衡百分比。

9 结论

这种组合实验和分析的基础上的研究的钢筋混凝土的行为框架已经制定以下结论：

（1）压缩膜力增加引起柱瞬间力是非常不同于所预测的一般设计方法Eq （2）对较高的柱施加载荷，框架的破坏的模式的由膜决定，

（3）刚塑性分析的方法来预测条件接近破坏的。这种方法，连同柱最终刚度估算方法其破坏时应变条件基础上，使破坏的条件下，充分进行预测。这个使用方法从而形成的参数研究该类问题的设计方法。