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高强混凝土在震区的应用
概要
使用高强度混凝土(f cgt;50MPa)在最近设计的建筑物和其他结构中非常普遍。经济性、优越的强度、刚度和耐久性是其受欢迎的主要原因。结构工程师目前正在探索在各种应用中使用这种高效材料的好处。本文的主要目的是突出高强度混凝土在抗震框架结构中的应用，并研究这些结构中重要的高强度混凝土构件的性能。给出了一个算例，说明在典型框架结构中，用高强混凝土代替普通混凝土时，抗震性能的比较差异。
引言
材料技术和生产的进步导致了混凝土强度等级的提高。高强度混凝土(HSC)元件(f cgt;50MPa)在混凝土结构中的使用已被证明非常受欢迎，全世界使用的混凝土强度高达约130MPa。这些混凝土可以使用常规生产程序生产。高强混凝土的主要优点包括更高的强度和更高的刚度、更高的耐久性、成本效益、降低的蠕变和干燥收缩、更好的抗冲击性和更好的耐磨性。然而，如图1所示，与普通强度混凝土相比，高强混凝土的韧性较差。
图1混凝土的应力应变关系
高强度混凝土在结构上是一种不同的材料，适用于普通强度混凝土的规则在应用于高强度混凝土时并不总是保守的。由于断裂模式、微观结构的变化以及各种添加剂(如硅灰、粉煤灰、超塑化剂等)带来的差异，最初用于混凝土强度f clt;50MPa的经验设计规则需要重新评估。一些结构工程师不愿意使用高强度混凝土的原因之一是混凝土标准中没有涵盖高强度混凝土的规定。
在抗震结构中使用高强混凝土有许多优点。混凝土结构本身很重，因此有可能产生很大的惯性力。高强度混凝土
由于构件尺寸的减小，构件将具有减小这些惯性载荷的明显优势。较高的弹性模量将减少横向载荷引起的漂移。下一节将讨论与高强度混凝土构件相关的其性能的一般结论适用于其他类型的结构。
高强度混凝土构件的性能
受弯构件
虽然使用高强度混凝土不会显著增加受弯构件的抗弯承载力，但挠度会减小，从而允许更大的跨度。尽管高强度混凝土是一种更脆的材料，但由于中性轴深度较低，用高强度混凝土浇筑的受弯构件表现出更大的转动延性[Pendyala等人，1996]。在抗震设计中，横梁机构优于立柱侧向机构。梁铰链的形成是由强柱弱梁系统保证的。因此，在主框架中，HSC较高的旋转延展性可能是一个优势。
柱子延性
当使用高强度混凝土时，承受高轴向载荷的钢筋柱的横截面尺寸可以显著减小，纵向钢筋的数量可以显著减少[帕克，1998]。如前所述，使用高强度混凝土的主要问题是在单轴压缩下，随着抗压强度的增加，延性降低。然而，从实验和理论上可以看出，重载高强混凝土受压构件的延性要求可以通过提供附加拉杆来满足。
弯矩-曲率分析可用于确定混凝土构件临界区域的曲率延性。使用后极限区域的可靠强度，曲率延性可定义为后峰值区域极限力矩80%处的曲率与屈服曲率之比。通过使用良好的细节，可以使截面的后极限性能非常有利，从而增加可靠的曲率延性。
曲率延性 = 0.8 M u
y （1）
研究了一种典型的OMRF框架内柱。柱子尺寸为500times;500毫米，钢筋由12times;16纵向钢筋和240毫米间距的Y12结扎线组成。图2和图3是具有可变轴向载荷的50和100兆帕柱的典型弯矩-曲率图。这两个图的共同点是，有证据表明，随着钢筋混凝土柱上的轴向荷载水平的增加，曲率变小，因此，柱的延性能力逐渐降低。然而，弯矩-曲率行为的显著特征是，与具有相同轴向载荷水平的100兆帕的柱相比，50兆帕的柱表现出相对更大的延性，这与高强度混凝土是一种固有的延性较低的材料这一事实相一致。表1显示了使用公式计算的曲率半径（1）
图2 50兆帕立柱的弯矩曲率 图3 100兆帕立柱的弯矩曲率
表1典型柱的曲率延性能力
钢材断裂发生在弯矩能力降低20%之前
确定混凝土柱的适当延性水平可能取决于结构的重要性或特定区域的地震风险水平。柱中横向钢筋的设计必须基于三个标准:
1、防止纵向钢筋弯曲:纵向钢筋弯曲时的应变与混凝土的抗压强度无关。因此，为NSC建议的间距要求适用于HSC柱。
2、为了防止侧向钢断裂:使用能量平衡方法表明，将抗压强度从50兆帕增加到80兆帕只会导致环向断裂应变的小幅降低[科瓦奇，1995]。
3、为了给延性提供足够的约束:门迪斯amp;科瓦契奇[1999]提出了一个公式，通过修改美国标准3600 [1994]中的现有要求来计算横向钢筋的间距。在本文提出的方法中，通过比较高强混凝土柱和普通混凝土柱的弯矩-曲率特性，为高强混凝土柱提供了足够的延性。因此，由50兆帕混凝土柱获得的延性水平也可确保由高强度混凝土制成的相同柱。还确定了纵向钢屈曲和横向钢断裂的极限。
切变
如果有足够的能力，预期曲率延性需求将得到满足。如果临界截面处没有足够的横向钢筋，即使有一些延性响应，也可能发生脆性剪切破坏。轴向载荷的作用可能很大。在循环荷载下，轴向压缩有助于弯曲和剪切裂缝的闭合，从而减轻滑动剪切引起的过早破坏。高轴向载荷限制了截面的极限响应，从而降低了可用的延性。
日本设计规范[1992]和普里斯特利[1995]提出的模型中已经使用了预测包括轴向载荷和铰链旋转/曲率的柱抗剪强度的模型。这两种模型都试图解释混凝土抗剪强度随着截面转动/曲率延性的增加而降低的情况。
Priestley的抗剪强度模型利用了混凝土、侧向钢筋和轴向荷载的贡献。
可见，高强混凝土将提高混凝土的贡献，从而改善剪切性能。可以将对应于柱抗弯强度(Vf=2My/L)的剪力与计算的抗剪承载力进行比较。使用强度更高的混凝土会导致使用更小的横截面，从而降低屈服值。这降低了柱的弯曲抗剪强度，并降低了剪切破坏的可能性。
梁柱节点
钢筋混凝土梁柱节点不能孤立考虑，必须作为框架的组成部分来考虑。优选地，这些区域保持坚固，使得能量将在相邻构件中而不是在接头中耗散。尽管这种对接头保持强度的偏好，但在抗弯框架的滞回性能中，不可避免地会有一些非弹性剪切和粘结机制的参与。节点核心中的剪力比相邻柱中的大得多，节点核心中的力矩梯度比相邻柱或梁中的大得多[Cheung等人，1993]。
Priestley [1995]审查了内部接头的试验数据，并得出结论，对于轻度加强的梁或具有高轴向力水平的柱，如果接头中的主拉应力小于0.29，接头开裂可能不会发展。对于具有高剪切应力水平的梁柱接头，无论横向钢筋的数量如何，都容易在剪切中失效。失败的原因是主要的压缩应力，因此更符合逻辑的是直接限制这一点，而不是通过剪切应力，剪切应力没有认识到轴向压缩的影响。Priestley [1995]建议主压应力的极限为0.5f。对于主拉应力大于0.29且主压应力小于0.5f c的梁柱节点，破坏可能是由于节点剪切、钢筋穿过节点的粘结滑移或梁的弯曲延性。然而，高强度混凝土将显著减少接缝开裂的机会(图4(a))。
根据新西兰规范[1995]，两种不同的机构，支柱和桁架机构，共同抵抗所施加的剪切力。这些机制在张等人[1993]中有详细描述。支柱机构依靠对角混凝土支柱，以接近潜在角对角破坏平面的角度，将剪切力传递到接缝上。如图4(b)所示，压力部分由梁和柱纵向钢筋的粘结力产生，但主要由两个角处受弯构件的混凝土压力产生。梁和柱钢筋的剩余粘结力主要转移到图4(c)阴影区域外的核心混凝土上。支撑这些粘结力的对角压缩场可由桁架机制产生，该机制涉及水平钢筋(通常为连接钢筋)、垂直钢筋(柱中间钢筋)和大量对角混凝土支柱的参与。由于水平和垂直方向都存在拉伸应变，对角混凝土支柱的抗压强度将大大低于f c。高强度混凝土将提高支撑机构的作用，从而减少对大量拉杆和柱中间钢筋的需求
高强度混凝土的积极效果包含在新西兰的建议中，适用于高达70兆帕的混凝土。根据新西兰规范，所需抗剪钢筋的数量由下式给出
其中nu;jh =接缝核心中的标称水平剪切应力，A* s =穿过接缝的顶部或底部梁钢筋面积中的较大者，不包括有效张力法兰中的钢筋面积。
其中包括作用在接头上方立柱上的轴向压缩荷载的有益效果，Cj = Vjh/(Vjx Vjz)，Vjx =方向的总水平接头剪力，Vjz = z方向的总水平接头剪力。
美国的实践有所不同，其中假设接缝剪力主要由对角压杆承受，如果由横向钢筋约束，该压杆将能够承受一定的接缝剪力。根据ACI-ASCE 352建议[1996]，对于限制在所有四个面上的接缝，总剪应力限制在1.66 cf MPa。在ACI建议中，约束所需的横向拉杆由以下公式给出。
可以看出，所需的横向钢筋数量与混凝土强度成反比。这个公式是基于20世纪30年代进行的研究。必须修改公式，使其适用于HSC。
梁柱钢筋在连接芯内的锚固
在高地震活动区域的循环荷载作用下，内部节理处的节理核心可能会产生较大的粘结力，导致粘结退化和钢筋过度滑移，从而导致屈服渗透到节理区域。这是因为在设计用于通过横梁侧移机构耗散能量的框架中，大的钢应力需要通过相对较短长度的横梁纵向钢筋通过粘结传递到内部接合芯。在极限情况下，钢筋可能会在接头芯的一侧受压屈服，而在另一侧受压屈服。为了减少滑移量，可以使用严格的规则来限制钢筋直径与柱深度的比率，如果大的压缩载荷作用在柱上，可以对此进行一些放松[Park，1992]。
Fujii等人[1998]为高强混凝土梁柱节点的粘结要求推荐了以下公式
图4 (a)接缝开裂，(b)支撑机构，(c)桁架机构
新西兰规范[1995]还规定了一些要求，以限制通过接头的钢筋直径。
辅助框架
根据ACI 318 [1995]，假设不会产生横向阻力的框架构件应详细说明，以抵抗在系数横向力下承受两倍横向位移时在这些构件中产生的力矩。当使用高强度混凝土时，可以缩减构件尺寸以产生相对柔性的框架。这个框架反过来将吸引显著减少的力量
个案研究
根据澳大利亚混凝土规范AS 3600和地震规范AS 1170.4的建议，选择了图5所示的典型6层建筑进行案例研究，并设计了两种不同的延性等级。普通抗弯框架(OMRF)和中间抗弯框架(IMRF)的响应修正系数分别为4和6。表2给出了框架类型和截面尺寸。为了直接比较结构的响应，柱子采用50兆帕和100兆帕的混凝土设计，并进行相应的详细设计。表3给出了加固细节。由于钢筋屈服强度是用于设计目的的标称值，因此也采用相同的截面细节进行分析，但假设钢筋屈服值在650兆帕的上限。
为了真实地评估框架，构件刚度值应接近屈服时的值，以使铰链的形成符合假定的分布。在分析中使用了梁的Ieff面积的有效二阶矩=0.4Ig，柱的有效二阶矩= 0.6Ig保罗和普里斯特利，1992]。此外，为了与目前的做法保持一致，对框架进行了总截面特性分析。
正面图 平面图
图5 结构配置
地震活动性被视为低至中等活跃地震区的典型特征，设计峰值地面加速度(500年重现期)a = 0.11g。基于AS 1170.4的等效静态方法，使用反三角形分布计算每层水平的横向地震荷载。
表2框架类型和截面尺寸
表3底层柱和首层梁的详图
侧向力的分布与结构的重力载荷成正比(恒载 40%活载)。重力荷载主导了结构的设计，因此，梁的尺寸没有改变。通过使用高强度混凝土获得的柱的任何尺寸减小都不能转化为地震荷载的显著减小(OMRF和IMRF的重力荷载分别减小1.8%和0.8%)
动态分析结果
埃尔中心地震(PGA = 0.33g克)被选为代表一次大地震。使用非线性动态结构分析程序RUAUMOKO进行时间历程分析[Carr，1999]。使用程序中提供的标准梁和柱元素对构件进行建模。
下列响应参数旨在说明针对不同延性水平设计的结构的行为特性。总截面刚度框架的屋顶位移差别不大，在所有四种情况下都小于建筑高度的0.85%(0.0085小时)。De Stefano等人[1995]提出，严重的结构损伤大约发生在整体(屋顶)位移为0.01小时时，因此这里考虑的框架的损伤水平预计
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