混凝土 - 强度
CSFM(协调应力场法)中用于强度计算的混凝土模型基于抛物线-塑性应力-应变曲线。与经典钢筋混凝土设计一样,该模型忽略混凝土的抗拉强度。
Fig. 76The stress-strain diagram of concrete for Strength analysis
IDEA StatiCa Detail 中的 CSFM(协调应力场法)实现没有针对受压混凝土考虑以应变表示的显式破坏准则(即达到峰值应力后,采用塑性分支,其 εc0 最大值为 5%,而 AS 3600 第 8.3.1 条假定极限应变小于 0.3%)。这一简化无法验算发生受压破坏的结构的变形能力。但是,除了考虑开裂混凝土的系数(kc2,见图 77)之外,如果还通过 fib Model Code 2010 中定义的折减系数 ηfc 来考虑混凝土强度提高时脆性增大的影响,则可以正确预测强度,该折减系数如下:
fc,lim′=α2⋅ϕs⋅β⋅ηfc⋅fc′
ηfc=(fc′30)31≤1
其中:
α2 为 AS 3600 第 8.3.1 条定义的混凝土抗压强度折减系数
采用抛物线-矩形应力-应变图时,需要用该系数折减最大压应力。这样可使受压区的应力分布取平均值,使得到的抗压强度小于或等于采用带下降塑性分支的应力-应变图计算得到的 抗压强度。矩形应力块的处理方法与此类似,见第 8.1.3 章。
Φs 为混凝土的应力折减系数。默认值按 AS 3600 表 2.2.3 设定。
β 为考虑横向裂缝影响的折减系数(本文中也称为 kc2)
f'c 为混凝土圆柱体强度(在定义 ηfc 时以 MPa 为单位)。
Fig. 77The compression softening law.
β 是与第 2.2.3 章定义的有效抗压强度系数基于相同原理的折减系数。确定该系数所依据的文献(包括 AS3600 标准的相关背景)可参见 AS3600:2018 Sup 1:2022 第 C2.2.3 条。
混凝土 – 正常使用
正常使用分析对用于强度分析的本构模型作了一些简化。混凝土受压应力-应变曲线的塑性分支被忽略,弹性分支为线性且无限延伸。不考虑压力软化规律。这些简化提高了数值稳定性和计算速度,并且只要正常使用状态下材料的应力结果明显低于其屈服点(如 AS3600 所要求),就不会降低解的通用性。因此,用于正常使用分析的简化模型仅在满足所有验算要求时才有效。
Fig. 78Concrete stress-strain diagrams implemented for serviceability analysis: short- and long-term verifications.
长期效应
在正常使用分析中,混凝土的长期效应通过 AS 3600 第 3.1.8 条的设计徐变系数(φcc,默认取 2.5)来考虑,该系数用于修正混凝土的割线弹性模量(Ec), 如下所示:
Ec,eff=1+φccEc
荷载增量按以下顺序依次计算:预应力 - 永久荷载 - 可变荷载,每个增量采用相应的有效弹性模量,如图 78 所示。徐变系数由用户在材料属性中定义,并应按 AS 3600 第 3.1.8.3 条计算。
Fig. 79Definition of the design creep factor
短期效应
为进行短期验算,需另行计算一次,其中所有荷载均不考虑持续荷载的时间相关系数。长期和短期验算的两次计算均见图 78。
钢筋
对于非预应力钢筋,采用具有确定屈服点的理想弹塑性应力-应变图,见 AS 3600 第 3.2 节。定义该图只需已知钢筋的基本属性,即强度和弹性模量。
钢筋的应力-应变图也可由用户自行定义,但在这种情况下无法考虑拉力刚化效应(无法计算裂缝宽度)。
Fig. 80 Stress-strain diagram of reinforcement
其中:
Φs 为钢筋的强度折减系数。默认值按 AS 3600 表 2.2.3 设定。
fy 为钢筋的屈服强度
Es 为钢筋的弹性模量
拉力刚化(图 81) 通过修正裸钢筋的输入应力-应变关系自动考虑,以反映埋入混凝土中的钢筋的平均刚度(εm)。
Fig. 81Scheme of tension stiffening.