FRP筋混凝土梁受弯正截面承载力可靠度评估.pdf
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1、第3 9 卷第4 期哈尔滨工业大学学报V O L3 9N 0 420 o7 年4 月J O U R N A LO FH A R B l NI N S T I T U T EO FT E C H N O L O G YA p r 2 0 c r 7F I 心筋混凝土梁受弯正截面承载力可靠度评估何政1,黄永春2(1 东北大学资源与土木工程学院,沈阳1 1 0 0 0 4,E m a i l:h e z I l e n 9 1 9 7 1 舯a i l c o m;2 哈尔滨工业大学土木工程学院,哈尔滨1 5 0 0 9 0)摘要:将J c 法与M t eC 盯l o 随机抽样方法结合,对A c I
2、4 4 0 1 R 0 3 技术报告(简称A c I 指南)和I s I s 设计手册3(简称I s I s 指南)中正截面受弯承载力的设计条款进行了可靠度评估研究表明,对于两指南,混凝土强度和F R P 筋特性分别是影响混凝土压碎破坏模式和F R P 筋拉断破坏模式下抗力均值及其方差最重要的影响因素可靠度水平在两种不同破坏模式之间将会发生跳跃,但在各自破坏模式状态下,可靠度水平基本不随F R P 筋相对配筋率的变化而变化对于A c I 指南,不同F R P 筋对应的可靠度水平相差不大,均偏于保守,而对于I S I S 指南,相差悬殊的F R P 筋强度折减系数也导致可靠度水平相差较大,c F
3、 R P 筋拉断破坏模武对应的可靠度指标明显低于混凝土压碎破坏情况,无论何种破坏模式,配置G F R P 筋情况下的可靠度水平过高关键词:F R P 筋;混凝土;受弯承载力;可靠指标;折减系数中图分类号:T U5 2 8文献标识码:A文章编号:0 3 6 7 6 2 3 4(2 0 0 7)0 4 一0 6 5 0 0 6R e l i a b i l i t ye V a l u a t i o nf o rn e x u r a lc a p a c i t yd e s i g no fc o n c r e t eb e a m sr e i n f b r c e dw i t hF
4、 I 之Pr e b a r sH EZ h e n 9 1,H U A N GY o n g c h u n 2(1 C o U e g eo fR e s 伽r c e s 觚dC i v i lE n g i n e e 血l g,N o n h e 鹊t 哪U n i v e 鹏i t y,S h e n y a l l g 0 0 0 4,C l l i 眦,E-m a i l:h e z h e n g1 9 7 1 舯a i l c 唧;2 s c h 0 0 l0 f C i、r i lE n g i n e e r i n g,H a r b i nI 璐t i t u t
5、e0 f T e c h n o l o g y,H a r b i n,1 5 0 0 9 0,C h i n a)A b s t r a c t:C o m b i n e d 埘t ht l l eM o n t eC a d or a n d o ms 锄p l i n gp r o c e 8 s,t l l eJ Cm e t h o dw 鹊印p l i e dt oc 邺7o u tar e l i a b i l i t ye v a l u a t i o no fd e s 咖p r o v i s i o n 8o fn e x u r a lc 印a c i t yi
6、 nt e c h n i c a l 即o r tA c I4 4 0 1R 一0 3(c a l l e dA C Ig u i d e l i n e)a I l dI S I Sd e s i 弘啪n u a lN o 3(c a u e dI S I Sg u i d e l i n e),1 1 l ee v a l u a t i o ni n d i c a t e st h a t,f o rb o t hg u i d e l i n e s,c o n c r e t es t r e n 昏ha n dF R Ps t r e n 昏ha r et h em o s t
7、d o m i n a t i n gi n f l u e n c i n gf a c t o r sf o rt h ef a i l u r em o d e so fc o n c r e t ec m s h i n ga n dF R Pr u p t u r e,r e s p e c t i v e l y R e l i a b i l i t)rl e v e lV a r i e sd r a m a t i c a l l yw h e nf a i l u r em o d ec h a n g e s H o w e v e r,t l l er e l i a
8、b i l i t yi n d e x e sa p p e a rt ob ei n e l e v 趴tt oF R Pr e i n f o r c e m e n tr a t i ow i t h i ne i t h e rm o d e F b rA C Ig u i d e l i n e,t l l er e l i a b i l i t yl e v e l sc o r r e s p o n d i n gt od i f k r e n tt y p e s0 fF R Pr o d ss h o wl i t t l ed i 自f e r e n c e sa
9、 n dt l l e ya r er a t I l e rc o n s e r v 砒i v et o8 0 m ee x t e n t B u t,f o rI S I Sg u i d e l i n e,d i s t i n c td i f 琵r e n c e si nt l l es t r e n 昏hr e d u c t i o nf a c t o r so fd 虢r e n tt y p e so fF R Pr o d sr e s u l ti ns h a r pd i 自f e r e n c e si nr e l i a b i l i t yl
10、e v e l 7 r h er e l i a b i l i t yi n d e x e sc o r r e s p o n d i n gt ot I l e 缸l u r;em o d eo fC F R P1 1 l p t u r e 盯em u c hl o w e rt l l a nt h o s ec o r r e s p o n d i n gt oc o n c r e t ec r u s h i n gm o d e A st oc o n c r e t er e i n f o r c e dG F R P 陀b a 玛,t I I er e l i a
11、b i l i t),l e v e l sc o r r e s p o n d i n gt oe i t h e r,m o d ea r eo v e rc o n r v a t i v e K e yw o r d s:f i b e r 耐n 硒r c e dp o l y m e rr e b a r;c o n c r e t e;n e x u r a lc 印a c i t y;r e l i a b i l i t yi n d e x;r e d u c t i o nf a c t o r纤维增强塑料(简称F R P)在外形上F R P 可收稿日期 狮气m 1 4
12、基金项目:o 国家自然科学基金资助项目(5 0 2 0 8 0 0 r 7)作者简介:何政(1 9 r 7 l 一、羁博士教授分为筋材、片材、管材和型材等几种,其中F R P 筋可做成和普通钢筋一样的外形,可放置在混凝土中作为内置的增强材料使用,被认为是在某些使用条件下钢筋的理想替代品1 1 伴随着研究工作和工程实践的迅速开展,也涌现了一些F R P 配筋 万方数据第4 期何政,等:F R P 筋混凝土梁受弯正截面承载力可靠度评估混凝土构件设计指南H。8 J,这些设计指南反过来也大大地推动了F R P 的深入研究和工程实践一般地,F R P 是一种弹性模量相对较低、极限拉伸变形较大的线弹性材料
13、,其配筋混凝土构件的极限状态与传统钢筋混凝土有着明显的不同普通钢筋混凝土结构的设计在很大程度上是依靠钢筋的延展特性,这可掩盖由失效模型的不确定性带来的危险性,为结构设计提供一定的安全富余度而这些现行F R P 设计指南中多数有关F R P 的抗力折减系数币和材料折减系数咖,或是建立在对混凝土结构设计规范中相应系数的修正基础上的,或是完全凭借经验来指定的,这些做法可能潜藏着一些问题所以,在应用这些指南之前应该对其中的相关设计条款进行可靠度意义上的评估,并针对其中不合适的设计条款进行修正在这些设计指南中,有关F R P 棒材配筋混凝土结构的设计指南是以A C I4 4 0 分委员会出版的技术报告A
14、 C I4 4 0 1 R 一0 3(以下统称A C I 设计指南)和加拿大I S I SC a n a d a 出版的I S I SD e s i g I lM a n u a lN o 3 J(以下统称I S I s 设计指南)最为典型,两者虽然同是采用荷载抗力系数设计法(简称L R F D),但各有特色,通过对这两个典型设计指南的可靠度评估,可以掌握当前F R P 棒材配筋混凝土结构设计的可靠度设计水平和存在的问题,对于发展我国自己相应的设计指南应该具有一定的指导意义本文将可靠度分析中常用的J c 法与M o n t eC a r l 0模拟方法结合,对A C I 设计指南和I S I
15、s 设计指南中的正截面承载力可靠度水平进行了评估1A C I 和I S I S 设计指南相关设计条款1 1A C l 设计指南n 1在计算正截面承载力时采用的假设与钢筋混凝土构件基本相同,但在该指南中引入了强度环境影响系数C。以考虑构件长期暴露在不同的环境下而导致F R P 筋强度退化和耐久性的变化A c I 规定:设计中F R P 筋的抗拉强度厶、极限拉应变占血和弹性模量研按下列取值,厶=c e 木丘8 m2C E 蠢8;E f2E 式中:厶为具有一定保证率的强度值,取样本统计强度平均值厶减去3 倍的标准差;占向4 为具有一定保证率的极限应变值,取样本统计应变平均值8 一减去3 倍的标准差;
16、k 为样本弹性模量统计均值如结构暴露在土壤或恶劣的环境中,对于G F R P、A F R P 和c F f u P 筋,C 分别为0 7、0 8 和0 9;如果结构没有暴露在土壤或者恶劣的环境中,相应数值各增加0 1 截面破坏模式有混凝土压碎和F R P 筋拉断破坏两种,界限破坏时的配筋率p 伍为跏o 8 邓。乞彘式中:Z 为混凝土圆柱体抗压强度;占。为混凝土的极限压应变,占。=0 0 0 3;卢。为混凝土受压区矩形应力图形等效系数,按文献 9 取值当F R P棒材配筋率办=A 配 孙时,混凝土压碎破坏,反之则为F R P 筋被拉坏截面抗弯承载力设计值为M=由M。,f 0 8(d 一譬),所勘
17、;肘=2一k(1 0 5 9 等)蛾p,勘式中:咖为抗力折减系数,当P,孙时,咖=o 5 0;当所1 和伍时,咖=o 7 0;其余由线性插值得到;c。为混凝土受压区高度;6 和d 分别为截面宽度和有效高度圻为F R P 筋应力,为石=俨乒事一o 5 即。陋1 2I s I s 设计指南假定基本同A c I 设计指南,只是其中的受压混凝土应力应变关系采用文献 1 0 中的模型,占。取为0 0 0 3 5 界限配筋率p 庸为、:e m筋1 1 石蕊式中:a,和届。为矩形应力图形等效系数,按文献 1 0 取值以和占血分别为具有9 5 保证率的强度值和极限应变值截面抗弯承载力设计值为。,f 愀母(d
18、一糕),办勘;M=2一”。【邪6(d 一譬),丹 跏式中:咖。和咖,分别为混凝土和职P 筋的材料强度折减系数,币。=O 6 5,对于C F R P、A F R P 和G F R P筋,咖r 依次为0 8、O 6 和O 4;a2 可由对受压区混凝土应力图形的矩形等效得到(此时受压边缘压应变占。g。);混凝土受压区高度c 由下列一元二次方程求解得(a l 币Z 卢1 6)c 2+A 力,E,占。c 一4 一,够芦。d=o 万方数据哈尔滨工业大学学报第3 9 卷2M o n t eC a d o J C 方法由l 嘶t z 和F i e s 8 l e r【l u 在1 9 r 7 8 年提出的”当
19、量正态化”(又称J C 法)方法计算效率较高,方法简便,但是对于复杂情况收敛f 生不容易保证引基于大量随机抽样的M o n t ec a l l o 方法计算精度较高,对功能函数要求宽松,但是大量随机抽样需要花费大量的机时,如果直接采用M o n t eC a r l o 方法,对于失效概率大约在1 0。5 级别的可靠度指标计算来说,其计算效率是不能容忍的3 1 本文采用的I o I l t ec a r l o J C 法(图1)就是将J C 法与M 0 n t eC d o 方法结合调入各个设计参数的特征参数上由申零否对抗力分布类型进行假设检验1 LI 求出抗力的特征参数上I 调入荷载参数
20、及荷载效应比I工调用J C 法程度序计算可靠度指标图lM o n t eC 划。一J C 法流程图使用来计算可靠度指标,即通过抽取相对较少的样本数量将抗力整合成一个随机变量,抗力的分布类型和特征参数可以通过对抽样结果的假设检验得到。在得到抗力的统计参数后,就可以与荷载效应联合采用J C 法计算可靠度指标b 这种方法既解决了J C 法收敛性的问题,计算效率又不降低过多M o n t eC d o J C 法中的关键部分是对抗力分布类型的假设检验,疋2 检验方法是检验整体分布的一般方法,但是用来检验总体的正态性时,犯第二类错误的概率往往较大,不及偏度、峰度法及夏皮罗一威尔克法有效J 本文中假设抗力
21、分布类型为正态分布,通过采用偏度、峰度检验,在显著性水平为0 的条件下,9 2 以上的情况通过检验,结果是可以接受的3M o n t eC a r l o 随机抽样分析3 1M o n t eC a r I o 抽样分析梁宽6、梁高、有效高度d、混凝土强度Z、F R P 强度厶以及相对配筋率P 加庙是影响构件抗弯能力的因素分析中,6、和d 的统计数据选自文献 1 5 ,混凝土强度正的强度及统计数据选自文献 1 6 ,F R P 棒材的统计参数取自文献 1 7 ,如表l 所列为使分析更具有普遍性,每个随机变量取了一个较大值A 和一个较小值B,相对配筋率取了3 0 个数值,对于每一种F R P 棒
22、材,可得到2 4 3 0=4 8 0 个设计点,基本覆盖了所有可能的设计点,对每个设计点进行5 万次M o n t ec a r l o 模拟,得到5 万个弯矩值R,与该点的弯矩名义值尺。相比,就可以得到5 万个比值R 馏。,这样对于每一种F R P棒材有2 4 0 0 万个R R。比值,按破坏模式计算相应的抗力均值及方差(介于两者之间的情况可不予考虑),计算结果见表2 表l 设计变量的统计资料注:l:=1 1 5G P a;2:墨=4 5G P a;分布类型:均为正态分布 万方数据第4 期何政,等:F R P 筋混凝土梁受弯正截面承载力可靠度评估表2 不同破坏模式下的抗弯承载力均值及方差3
23、2 各随机变量对承载力均值及方差的影响按每个设计变量的较大值和较小值细分成两部分,对每部分求均值和方差以分析各变量对抗力的影响程度由结果可知,在混凝土压碎破坏模式下,在两指南中混凝土强度疋都是影响抗力最重要的因素Z 越大,比值冗R。越小,当工由2 0 6 7M P a 增大到4 1 3 4M P a 时,比值肜尺。下降了9 一1 3,这是因为低强混凝土的抗压强度名义值的保证率要相对高一些对于A c I 设计指南,除了混凝土强度外,其余因素对抗力均值的影响都不大;而对于I S I S 设计指南,F R P 筋对抗力均值的影响也比较明显,采用G F R P 筋时的比值肜R。比采用c F R P筋的
24、肜尺。要高2 6 在F f u P 被拉断破坏模式下,F R P 筋对两指南中的抗力均值影响都较大,其它因素的影响均明显对于两指南,对于混凝土被压碎这种破坏模式,混凝土强度正7、截面宽度6、截面高度 都是影响抗力离散性的重要因素工、6 和 越大,离散性越小当正由2 0 6 7M P a 增大到4 1 3 4 M P a 时,方差下降了6 1 一6 7 2 这是因为高标号混凝土的强度离散性要相对小一些当6 从0 2m 增加到O 5m 时,方差下降了5 4 一5 8 6 从1 5 增加到3 0 时,方差下降4 5 一5 0,这是由于数值越大,相对离散性就越小对于F R P 被拉断模式,6、6 对抗
25、力的影响明显,下降了2 7 2 9,其他各个因素的影响都在5 以内4 可靠指标计算表3 列出了最常见的恒荷和活荷载的统计资料以及组合时A c I 混凝土结构设计规范刮和加拿大混凝土结构设计规范u 7 1 的荷载分项系数考虑到F R P筋强度较高,荷载效应比。见应比钢筋混凝土结构高一些,分析中选取了o 5、1 0、1-5 0 0 和2 5 表3 荷载统计资料及简单荷载组合荷载均值变异分布荷载分项系数类型名义值系数类型文献 1 0 文献 1 0 恒荷载1 0 5O 1正态1 21 2 5活荷载1 0 00 2 5 极值I 型1 61 5 04 8 0 5=2 4 0 0 个以相对配筋率p,p 西为
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