考虑“混凝土约束效应”后如何进行性能评价

考虑“混凝土约束效应”后如何进行性能评价

在建筑结构设计中，抗震性能化设计要求不同性能水准的结构在地震后满足相应的预期性能状况。SAUSG软件提供了5种构件性能评价方法，包括默认值、RBS性能评价标准、基于《建筑结构非线性分析技术标准》的应变评价标准、基于《建筑结构抗倒塌设计标准》的应变评价标准和构件位移角评价标准。本文通过一个工程实例，探讨了在考虑“混凝土约束效应”后，不同评价方法对钢管混凝土构件的影响。

工程概况

图2-1 结构三维示意图

图2-2 钢管混凝土构件分布图

图2-3 “混凝土约束效应”参数对话框

选取如图2-1所示工程作为对比案例，该工程结构体系为钢筋混凝土框架结构体系，地上共7层，结构高度31.05m。抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第三组，场地类别为Ⅱ类。结构中布置有钢管混凝土柱构件，分布如图2-2所示。选取底层钢管混凝土柱单元为分析对象，设置两个工况：工况一不考虑“混凝土约束效应”；工况二在【动力非线性分析】-【高级设置】中勾选考虑“混凝土约束效应”，如图2-3所示，讨论如何进行性能评价并比较结果的异同。勾选“混凝土约束效应”之后SAUSG将使用约束混凝土本构（普通混凝土构件使用钱稼茹老师箍筋约束混凝土本构，钢管混凝土构件使用韩林海老师钢管约束混凝土本构）来描述混凝土的非线性行为。

评价结果

3.1 不考虑“混凝土约束效应”——【默认标准】评价

图3-1 【默认标准】评价的底层柱性能水平

SAUSG软件的默认标准在制定过程中参考了上海现代建筑设计（集团）有限公司编著的《动力弹塑性时程分析技术在建筑结构抗震设计中的应用》[1]一书，评价指标为钢筋的塑性应变发展和混凝土的损伤水平。

该模型中部分底层柱被评价为轻微损坏（性能2），提取底层柱单元的钢材塑性应变及混凝土损伤可以发现，柱的外包钢管未进入塑性区域，性能评价为无损坏（性能1）；混凝土受压损伤Dc=0，评价为无损坏（性能1）；主控因素混凝土拉伸损伤Dt=0.978，超过0.2达到了轻微损坏（性能2）的水平，因此该单元最终性能评价水平为轻微损坏（性能2）。

3.2 考虑“混凝土约束效应”——【默认标准】评价

图3-2 【默认标准】评价的底层柱性能水平

勾选“混凝土约束效应”进行分析后再次使用【默认标准】对该模型进行性能评价，发现部分钢管混凝土柱损伤程度加重。

以同一位置的钢管混凝土柱为例，该钢管混凝土柱单元在考虑了‘混凝土约束效应’之后损伤标准由轻微损坏（性能2）变为轻度损坏（性能3），损伤程度加剧。提取底层柱单元的钢材塑性应变及混凝土损伤可以发现，外包钢管未进入塑性区域，评价为无损坏（性能1）；主控因素变为混凝土受压损伤Dc=0.131，超过0.01达到了轻度损坏（性能3）的水平，因此单元综合评价为轻度损坏（性能3），性能评价结果高于未考虑“混凝土约束效应”的评价结果。

3.3 结果评价及建议

钢管混凝土作为一种新型组合结构，钢管和混凝土之间的相互作用使钢管内部混凝土抗压强度大幅提升，构件的延性性能明显改善，耗能能力大大提高，具有优越的抗震性能。但为何考虑“混凝土约束效应”之后性能评价结果反而更加严重了呢？这主要和选取的评价参数有关。

上述案例可以看出，损伤加剧的主控因素是混凝土受压损伤Dc。损伤变量Dc和Dt分别代表压缩和拉伸条件下的损伤因子，表示弹性刚度的退化。损伤后的弹性模量为（1-Dc）E0或（1-Dt）E0。损伤因子Dc或Dt=0时表示没有损伤，Dc或Dt=1时表示材料失去强度。

SAUSG在进行弹塑性分析时默认使用《混凝土结构设计规范》[2]（以下简称“混规”）附录C的塑性损伤本构关系来描述混凝土的力学行为，即假定混凝土材料主要因为拉伸开裂和压缩破碎而破坏，拉伸和压缩采用不同的损伤因子来描述这种刚度退化。当勾选“混凝土约束效应”之后将切换使用钱稼茹老师箍筋约束混凝土本构和韩林海老师钢管约束混凝土本构来描述混凝土的非线性行为，但混凝土一维本构计算时损伤并不是必须量，只需定义应力应变关系即可，这两种本构模型也都没有给出损伤定义方式。本例中钢管混凝土柱采用韩林海老师的本构模型之后，混凝土骨架线如下所示，

图3-3 韩林海钢管混凝土核心混凝土应力-应变曲线

韩林海混凝土本构关系模型基于“约束效应系数”来研究钢管及其核心混凝土之间的相互作用[3]，

表达式如下

式中，

为钢材屈服强度；

为混凝土轴心抗压强度；

为钢管横截面面积；

为混凝土横截面面积。

图3-3以C30混凝土为例，展示了韩林海混凝土与混规附录混凝土骨架线的差异，可见，韩林海混凝土的峰值强度明显提高，且随着值越大，混凝土强度提高越多，反之则减少。

图3-4 韩林海钢管混凝土本构计算的损伤-应变曲线

为了照顾用户习惯，我们也按“混规”附录C.2.5计算了损伤，套用Dc计算公式Dc=1-Er/Ec，可以计算出韩林海本构模型下混凝土的损伤曲线，发现与混规附录本构相比，韩林海本构下混凝土损伤峰值整体明显下降，但是在初始阶段损伤系数会明显大于混规附录本构中的损伤系数。因此对于本例模型来说，钢管混凝土柱整体受荷较小，应变较小，导致韩林海本构模型下计算出来的Dc相较混规附录更大，使得性能评价结果更为严格。

综合前文分析，其实可以看出，“考虑约束效应”后损坏加剧只是损伤定义方式引起的，对分析结果没有影响，我们应该选取更合理的方式来评价约束混凝土本构。对于考虑了“混凝土约束效应”的钢管混凝土柱可以使用RBS标准来进行性能评价，评价结果如下。

3.4 考虑“混凝土约束效应”——【RBS标准】评价

图3-5 【RBS标准】评价的底层柱性能水平

RBS性能评价标准以混凝土受压强度退化系数和钢筋的塑性发展水平为评价指标，对于本例的钢管混凝土柱来说，外包钢管=0.475<1未进入塑性区域，评价为无损坏（性能1）；混凝土Sd=-0.91<-0.3，评价为无损坏（性能1），单元综合评价为无损坏（性能1），性能评价结果低于默认值的评价结果。【RBS评价标准】基于混凝土受压强度对构件损伤进行评价，能够更好的反应出约束混凝土受压强度大幅增强所带来的构件抗震性能提高。

总结

性能化设计是结构弹塑性分析的重要内容，SAUSG软件参考不同的文献以及规范提供了5种评价标准，由于评价指标及评价原理的不同，性能评价结果可能也存在差异。用户需结合构件特性综合选择合适的评价参数来进行性能评价才能得到更为合理的评价结果。以本文钢管混凝土为例，采用【RBS标准】可得到更为合理的性能评价结果。

参考文献：

[1] 动力弹塑性时程分析技术在建筑结构抗震设计中的应用[M].上海:上海科学技术出版社，2013.

[2] GB 50010-2010混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2015.

[3] 韩林海.钢管混凝土结构[M].北京：科学出版社，2000.