钢筋混凝土柱和剪力墙的直接设计方法和设计图外文翻译资料

钢筋混凝土柱和剪力墙的直接设计方法和设计图

Mustafa Mahamid, Majid Houshiar

摘要：钢筋混凝土柱和剪力墙的设计是一个有效的过程。使用交互图来检查假定的部分的容量，并且程序继续直到找到满意的部分。本研究介绍了“直接设计”方法和“设计图”。直接设计方法是一种分析方法，通过该方法，可以直接确定钢筋混凝土短柱或剪力墙所需的加固区域，而不使用相互作用的图。这种方法提供了加固混凝土截面的解决方案;该部分的容量等于施加的负载和力矩的需求。对于每个立柱或剪力墙，可以采用不同尺寸和条形布置的许多装配截面。设计图显示了特定立柱或剪力墙的所有可能的配合截面。这项研究提供了一个制作设计图的算法。

关键词：直接设计，设计图，钢筋混凝土柱，剪力墙

1.引言

在轴向荷载和弯矩共同作用下，混凝土柱的设计方法是采用沿对称轴的短柱相互作用图。通常通过假设一系列应变分布来计算柱的相互作用图，每个应变分布对应于相互作用图上的特定点，并且计算P和M的相应值。

设计过程从假设柱截面开始，并使用相应的相互作用图检查其容量。如果选择的分段容量不满足施加荷载和力矩，则假定一个新的截面。该过程一直持续到找到合适的部分为止。用传统方法建立的柱截面不一定是一个截面。找到一个截面，它的容量正好等于施加的载荷和力矩需要更多的试验和误差。此外，对于任意一组施加的轴向载荷和力矩，可以用不同截面尺寸、杆布置和杆面积来计算几个截面。本文的主要目的是给出一个一般的程序，通过该程序，可以在设计图上找到一个柱或剪力墙的所有解。本文还提出了直接设计混凝土柱的设计方法。基于截面形状和杆件布置，建立了方程组。通过求解该方程组，直接确定钢筋的要求面积。使用图表或表格。所得到的解表示一个截面，因为它的容量等于所施加的载荷和力矩。所提供的程序不限于任何横截面形状或任何具体的应力-应变图的混凝土和钢筋。

2.研究意义

本文提出了一种设计钢筋混凝土柱和剪力墙的简便而直接的方法。该方法根据所施加的荷载和力矩来创建短柱或剪力墙的设计图，所画出的设计图显示出短柱的所有可能的部分。设计图是一种实用的工具，由于设计人员在一个图中有所有实用的解决方案，因此，柱的设计将更快、更容易、更有效。

3.钢筋混凝土柱设计的前期研究

钢筋混凝土柱的设计已经引起了众多研究者的关注：惠特尼引入了等效压缩区；Chu和Pabarcius研究了双轴受力钢筋混凝土柱的极限强度；Bresler提出了ACI 318评述中的相互作用方程；Fleming和Werner开发了双轴受弯柱的设计辅助工具；Hsu和Miza研究了双向弯曲和压缩的可接受强度；Marin开发了L形钢筋混凝土柱的设计辅助工具；Hsu提出了双轴受力L形钢筋混凝土柱的理论和试验结果；Hsu提出了考虑标准轴向载荷和平衡轴向载荷比的设计辅助关系；Hsu报道了双轴弯曲和轴向压缩下的T形柱。

许多研究人员试图开发简单的设计关系或设计辅助工具。因为强大而廉价的个人计算机的可用性，改变了钢筋混凝土柱研究的类型和方向。Dmsmore用可编程计算器开发了一个用于列分析的程序；Brondum Nielsen和Yan介绍了轴对称荷载作用下任意截面混凝土双向受弯承载力的计算方法；Barzegar和Erasito开发了用于双向弯曲混凝土截面分析的交互式电子表格；泽农等人介绍了利用优化技术设计钢筋混凝土短柱的方法；罗德里格兹和Dario AristizabalOchoa开发了任意截面短柱的双轴相互作用图的计算机算法；王鸿采用往复荷载法评价高强混凝土柱的承载力；博内特等人提出了一种计算对称配筋矩形钢筋混凝土柱截面破坏面的解析方法；雪松林等提出了矩形钢筋混凝土柱破坏包络的近似解析解；帕劳斯等人提出了矩形柱和圆形柱配筋设计的新公式；罗德里格斯等人研究了钢筋混凝土柱在双轴反复荷载作用下的受力性能；Lequesne Pincheira建议对轴向受力构件的强度折减系数进行修正。

专业术语

4.被接受的柱设计程序

目前广泛采用的钢筋混凝土柱设计方法可分为以下几个方面

4.1单轴相互作用图
一个“交互图”可以通过绘制设计轴向载荷强度Pn相对于相应的设计力矩强度Mn来产生；该图显示了在负载的二次偏心率下截面的“可用”强度。落在曲线内的负载的任何组合都是令人满意的，而落在曲线外的任何组合都代表故障，见图4。

4.2单轴柱承载能力表
柱承载能力表提供了关于主轴线和短轴弯曲的能力。这些表给出了通常方形、矩形和圆形柱尺寸的因子可用容量。适当的表格输入因子的载荷和力矩的值，并获得列尺寸和加强件。表1显示了一个样本列容量表。

4.3加载轮廓
在这种方法中，故障表面通过一系列对应于Pn常数值的曲线来近似。这些曲线可以被视为“负载等值线”。

4.4 3D交互图
单轴相互作用图定义了在轴向载荷P和单轴力矩M下沿着一个截面的单个平面的载荷 - 力矩强度。轴向载荷柱的双轴向弯曲阻力可以被示意性地表示为由一系列单轴从P轴径向绘制的相互作用曲线。图1显示了双轴相互作用表面。

4.5 电脑程序
一些可用于研究和实践的计算机程序已列入本章节.spColumn（StructurePoint）是设计和研究承受轴向和径向力的钢筋混凝土截面的软件。该部分可以是矩形，圆形或不规则形状，可以是任何加固布局或图案。 CSiCOL（CSi）是一个用于分析和设计色谱柱的软件包。该方案可以进行钢筋混凝土的设计，或复合截面。 Response 2000（Bentz等人）是一个截面分析程序，它根据修改后的压缩场理论计算了承受剪切，弯矩和轴向载荷的钢筋混凝土截面的强度和延展性。 OpenSees（Fenves等人）开发的地震工程仿真系统是一个面向对象的开源软件框架。它允许用户创建有限元计算机应用程序，以模拟单元，剖面和纤维级别的结构系统响应。 BIAX（Wallace等）是一种通用计算机程序，用于评估钢筋混凝土截面的单轴和双轴强度和变形。该程序可用于计算单调加载的强度或弯矩 - 曲率关系。

5.问题陈述

钢筋混凝土柱和剪力墙的设计是一个试验性的错误程序。如果已知负载和力矩，并且需要选择横截面来抵抗它们，则该过程称为设计或配比。通过猜测一个部分，分析它是否令人满意，修改这些部分并重新分析它，解决设计问题。柱节截面设计问题的分析部分主要通过交互图进行。这些图是分析假定的应变分布的横截面的结果。图2显示了一个样本交互图和一些用于创建交互图的假定应变分布。每个假定的应变分布的相应点显示在交互图中。

传统的设计过程非常耗时，并不一定会导致一个截面。例如，假定需要为承受以下因子载荷和力矩的短方形钢筋混凝土柱选择截面：= P 2180kN（490kips）：施加的轴向载荷。 u = -Mu190kNm（140kft）：关于x轴x的施加力矩图3显示了上述柱的假定截面。该部分的尺寸和加固布置是已知的。需要调查具有不同棒区Ab的假定截面，以确定它们中的任何一个是否能满足施加的载荷。图4显示了一系列交互图，这些交互图是针对图3中所示的柱子截面的不同棒区域Ab创建的。

图4中的点1代表以上应用的负荷位置Ab = 500（0.8in.2）。它表明Ab = 500的截面的容量等于施加的载荷。 Abgt; 500的其他部分设计过度，Ab lt;500的部分不足。计算出的钢筋面积是一个可接受的值，否则设计人员应该修改截面尺寸或钢筋排列并重复该程序。

对于承受上述荷载和弯矩的短矩形钢筋混凝土柱，需要一个405mm的方形截面，其中有四根截面积为500mm2（＃8bar）的钢筋截面。可以找到其他适用于上述色谱柱的不同尺寸不同尺寸和尺寸的产品。例如，带12＃9bar的355mm（14in。）方形截面也是另一种解决方案。然而，使用传统方法找到所有适用于柱或剪力墙的解决方案是耗时且不切实际的。

本文提出了一个通用而有效的程序，通过该程序可以在设计图上找到并显示所有可能的柱或剪力墙的拟合解。

6.背景理论假设和方法发展

为了制作设计图，必须有一个有效的方法来计算所需的钢筋面积。在这项研究中，采用直接设计方法进行有效和快速的钢筋需求面积计算。本文中针对直接设计方法开发的配方符合ACI 318-14建筑规范。假设混凝土的最大允许应变= 0.003，钢筋和混凝土中的应变与它们离中性轴的距离成正比。此外，0.85f#39;c的混凝土应力均匀分布在由截面和平行于中性轴的直线所围成的压缩区域内，距离最大压缩应变纤维a =处，其中c是距离中性轴到最大压应变纤维（见图5）。加固被认为是弹性完美的塑料。但是，该程序允许对混凝土和钢筋使用任何应力 - 应变图。非复合压缩构件的纵向钢筋允许的面积被认为不小于0.01Ag或大于0.08Ag。考虑通用截面图图6协调体系是指混凝土截面的质心。中性轴的位置由变量c，theta;定义。其中theta;是中性轴与x轴的角度。
6.1具体的贡献
假设以下函数分别计算混凝土对标准轴向强度，标准弯曲强度的x轴和y轴的贡献。混凝土对横截面强度的贡献是：

6.2强化的贡献
从混凝土的最大允许应变εcu= 0.003，应变协调条件和中性轴的位置，第i条应变为：其中di是距离在垂直于中性轴的方向上受到极限纤维的压缩。从应力应变图中确定应力应变。钢筋对截面标准强度的贡献是：

在标准强度下拉伸极限杆中的拉伸应变消除了强度折减系数ε（C，Th）。截面的标准因子强度为：

柱子的理想设计是当方程式中的因子强度，，时， （8） - （10）分别等于外加载荷和力矩Pu，Mux和Muy。

最后的等式为：

解方程组（14） - （16），确定三个未知变量c，theta;，A b。 N.A.的位置由c和theta;定义，Ab是每个柱的所需面积。公式。 （14） - （16）构成一个非线性方程组。这个非线性方程组没有封闭形式的解。因此，解决方案取决于数值迭代技术，如牛顿法。式（17）显示了牛顿的非线性系统的方法，并且通常期望给出二次收敛 ：

牛顿的方法可以写成方程式（14） - （16）如下（为简单起见，Ab已由A代替）：

需要执行以下步骤来描述方程的非线性系统。 （14） - （16）通过实施牛顿法：
1.假设未知变量C，theta;，A b的初始值。

2.使用方程式Eq（19）计算詹姆森矩阵J。

3.使用Eq（18）找出未知变量C，theta;，的新值。

4.重复该过程，直到计算的截面积与施加的载荷和力矩足够接近。

以下指南可能有助于对未知变量进行适当的初始假设：

1）对于0°le;theta;le;90°的双对称截面，theta;最初可以近似为theta;asymp;atan（Mux / Mu y）。

2）cgt; 0，对于大的c值，部分的标准强度不会发生显着变化。

3）钢筋面积最初可以近似为Ab = 650mm2（1.0in.2）。

4）对于5-18号钢筋（9个钢筋尺寸），Ab的可接受范围为200mm2（0.31in.2）le;Able;2580mm2（4in.2），钢筋总面积限制在1％至8混凝土总截面的百分比。

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