混凝土结构的侧移及扭转临界刚重比研究

So far concrete structures are still the most widely used structure type. The height and aspect ratio of concrete structures are still growing, so do the second-order effects of the gravity loads. It will be a safety risk for structures if the value of second-order effects can not be calculated conveniently, fast and accurately, and if the value of second-order effects can not be estimated and calculated at the ultimate limited states. The research will focus on some key contents of second-order effects which are lacked in Code for design of Concrete structures currently, such as how to determine whether the structure has a lateral deflection and a torsion? How to determine the ratio of rigidity-to-gravity when the structure has a lateral displacement and a torsion? How to determine the critical ratio of rigidity-to-gravity when the second-order effects lead to a structure damage? These are the urgent contents need to be supplemented and improved in the codes, and also the basic theory of second-order effects. Studies on these issues will help to develop the simplified and practical calculation methods of second-order effects, and provide research dates and reference suggestions for the revision of technical standard in the future. In addition, the results of this research project obtained can also be extended to the fields of steel structures and masonry structures.

至今混凝土结构仍是运用最为广泛的结构形式，并且混凝土结构的高度及高宽比还在不断增加，重力荷载的二阶效应将随之增大。若不能方便、快速、较准确地计算二阶效应大小，若不能估计和计算结构破坏时所对应的二阶效应大小，并加以限制和排除，将给结构工程埋下安全隐患。本项目针对目前《混凝土结构设计规范》中在二阶效应方面还缺少的一些关键内容展开研究，如怎样鉴别结构是否有侧移？是否有扭转？怎样确定结构发生侧移或扭转时所对应的临界刚重比？怎样确定结构发生二阶效应破坏时所对应的失效临界刚重比等？这些既是规范中亟待补充完善的内容，也是二阶效应基础理论研究的组成部分。对这些问题展开研究，将有助于发展二阶效应的简化实用计算方法，也可为今后技术标准修订提供研究资料和参考建议。另外，本项目预期获得的研究成果还可扩展运用到钢结构和砌体结构。

主要研究内容.随着混凝土结构的高度及高宽比不断地增加，重力荷载的二阶效应也越发不容忽视，根据目前《混凝土结构设计规范》在计算二阶效应方面缺少的关键内容，本项目研究内容分为结构层次，杆件层次和截面层次，在结构层次上，研究考虑同层柱之间和不同层柱之间的结构的临界承载力计算问题。在杆件层次上，如何将研究对象由结构层次转化为截面层次，研究如何得到更精确的计算长度系数。在截面层次上，基于实际应力分布图，不采取简化和近似，研究钢筋混凝土结构一阶和二阶承载力的计算方法。.重要结果及其科学意义.提出了一种框架结构的临界力的计算方法，该方法用“弹簧-摇摆柱模型”定义了结构内刚度和外刚度的概念，以整体框架为研究对象，相比目前将单个杆件作为研究对象的计算长度系数法，可以很好地考虑同层柱的柱间支援和层与层之间的支援作用。扩展“弹簧-摇摆柱模型”为“三弹簧-摇摆柱模型”，提出了计算框架-剪力墙结构的临界力的计算方法，该方法将剪力墙简化为水平弹簧，推导了反映框架-剪力墙结构与“三弹簧-摇摆柱模型”之间关系的临界内外刚度比系数的计算公式，利用该系数将求解框架-剪力墙的临界力问题转化为计算刚度的问题，使得结构临界力的求解大为简化。.提出了一种截面弯矩曲率的计算方法，该方法是由应变计算内力的方法，计算中没有对材料的本构关系进行简化，运用计算编程建立了由两个应变计算钢筋混凝土截面弹塑性弯矩-曲率-轴力关系的数值计算程序，通过绘制相关曲线图，揭示了截面内在的受力变化规律，进而提出了一种更加精确的截面极限曲率简化计算模型。.得到了计算杆件二阶弹塑性承载力实用诺谟图，该图计算简单快捷，可以适用于不同钢筋级别以及C50及以下强度混凝土，对于强度大于C50混凝土构件，仅仅只需要替换文中的本构关系便可以得到其二阶承载力，可以适用于实际工程以及对于有限元软件计算结果正确性的验证。