區(qū)域約束箍筋形式對(duì)RCC梁正截面抗彎性能影響分析

丁嘉俊，曹新明

(貴州大學(xué) 土木工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

區(qū)域約束箍筋形式對(duì)RCC梁正截面抗彎性能影響分析

丁嘉俊，曹新明*

(貴州大學(xué) 土木工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

根據(jù)區(qū)域約束混凝土理論分析計(jì)算，對(duì)兩根不同約束形式的箍筋間距為50 mm的區(qū)域約束混凝土梁(RCC梁)進(jìn)行了抗彎性能的試驗(yàn)研究，并用ABAQUS有限元軟件對(duì)梁的抗彎性能進(jìn)行了模擬分析。結(jié)果表明，采用“日”字形箍筋梁與小方箍梁對(duì)比可知，“日”字形箍筋梁的箍筋形式能提高混凝土的抗剪承載力，更好的控制了裂縫向受壓區(qū)延伸，因此采用“日”字形箍筋對(duì)區(qū)域約束混凝土梁的抗彎承載力以及延性均有大幅度的提高，能創(chuàng)造更好的經(jīng)濟(jì)效益。

區(qū)域約束混凝土；箍筋；承載力；延性；abaqus

區(qū)域約束混凝土梁是按約束混凝土概念，對(duì)簡(jiǎn)支梁作構(gòu)造處理，在跨中混凝土受壓區(qū)設(shè)置箍筋，與縱向鋼筋一道，對(duì)該區(qū)域混凝土形成約束。區(qū)域約束混凝土即是通過約束鋼筋對(duì)部分壓區(qū)混凝土進(jìn)行有效約束，在受拉鋼筋屈服后制約壓區(qū)混凝土的變形發(fā)展，可延長(zhǎng)截面的失效過程，受壓區(qū)混凝土壓碎時(shí)對(duì)應(yīng)的鋼筋應(yīng)變也相應(yīng)大幅度增加，即提高了受壓邊緣混凝土達(dá)到混凝土極限壓應(yīng)變時(shí)的截面極限曲率，并不會(huì)明顯提高受拉鋼筋屈服時(shí)的截面屈服曲率，從而在提高梁極限承載力的同時(shí)也解決了受壓區(qū)混凝土的延性問題。

1 區(qū)域約束強(qiáng)度取值

區(qū)域約束混凝土[1]理論是對(duì)混凝土理論的繼承、補(bǔ)充和發(fā)展。由之前的研究可知[2]，區(qū)域約束混凝土柱具有較高的承載力和延性。若在梁中配置約束箍筋，梁的承載力和延性會(huì)的得到明顯的提高。梁是最常見的受彎構(gòu)件，在彎矩作用下，梁截面上部受壓，下部受拉。在梁截面尺寸和混凝土強(qiáng)度不變的情況下，要提高構(gòu)件的承載力，單在受拉區(qū)增加鋼筋會(huì)形成超筋梁，在破壞時(shí)受壓區(qū)混凝土先壓碎，為脆性破壞。若在受壓區(qū)配置相應(yīng)的約束箍筋，根據(jù)區(qū)域約束混凝土理論，約束混凝土強(qiáng)度取值：

fcc=(1+k)fc

(1)

(2)

其中k為區(qū)域約束混凝土約束系數(shù)，由上式可知區(qū)域約束可以提高受壓區(qū)混凝土的強(qiáng)度，從而改變梁的受力性能。在之前對(duì)區(qū)域約束混凝土梁進(jìn)行的試驗(yàn)研究中[2]，結(jié)果表明：區(qū)域約束混凝土梁抗彎承載力計(jì)算值較普通混凝土梁可提高30%-48%，其延性較普通混凝土梁可提高75%。

根據(jù)研究需要，為了探究出區(qū)域約束混凝土梁在抗彎過程中最合適的箍筋形式，本文設(shè)計(jì)了兩種箍筋形式：RCCB1(regional confined concrete beam)中 配置了“日”字形區(qū)域約束箍筋和在RCCB2中配置了“口”字形區(qū)域的小方箍，后期運(yùn)用abaqus有限元軟件對(duì)兩根梁進(jìn)行模擬分析，從而對(duì)區(qū)域約束混凝土梁的理論和試驗(yàn)研究結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比分析驗(yàn)證，進(jìn)而得出最合適的區(qū)域約束抗彎梁的箍筋形式。

2 構(gòu)件設(shè)計(jì)

2.1 梁截面形式以及參數(shù)

本文共設(shè)計(jì)兩根區(qū)域約束混凝土受彎梁試件，配置了“日”字形區(qū)域約束箍筋的梁為RCCB1， 配置了小方箍梁為RCCB2 (區(qū)域約束箍筋間距均為50 mm)，區(qū)域約束抗彎段的箍筋長(zhǎng)度均為1200mm，非抗彎段為普通箍筋，間距為100mm。梁的跨度為2500mm，凈跨2200mm, 截面尺寸為150mm×300mm, 混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40。具體截面形式如下圖1、圖2所示。

1-1截面 2-2截面

圖1 RCCB1截面配筋圖

1-1截面 2-2截面

圖1 RCCB2截面配筋圖

2.2 正截面承載力計(jì)算

根據(jù)曹新明教授團(tuán)隊(duì)所編寫的區(qū)域約束混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程，對(duì)RCCB1和RCCB2進(jìn)行正截面抗彎承載力計(jì)算。計(jì)算步驟如下：

1) 先按照構(gòu)造要求確定參數(shù)，包括約束區(qū)尺寸(寬度、高度)、箍筋形式、箍筋強(qiáng)度、縱筋分布、縱筋強(qiáng)度等并計(jì)算相應(yīng)的約束系數(shù)k；

2) 取約束區(qū)域高度Xcc≤0.45(理論上約束區(qū)域高度可以不受限制，但過大的約束區(qū)域高度會(huì)導(dǎo)致受拉鋼筋配筋量過大且承載力提高幅度下降，經(jīng)濟(jì)性降低，因此規(guī)定約束區(qū)域高度Xcc≤0.45)，本文構(gòu)件約束區(qū)域高度即為小方箍高度0.096m；

3) 由fcc=(1+k)fc式確定fcc；

4)確定受拉鋼筋配筋量；

=0.64

=153.78KN·m

=384.45ΚΝ

由此可知，除了箍筋形式不同之外，兩根梁的正截面抗彎承載力理論計(jì)算值是相同的，試驗(yàn)構(gòu)件設(shè)計(jì)參數(shù)如下表1所示。

表1 試驗(yàn)構(gòu)件設(shè)計(jì)參數(shù)

3 試驗(yàn)方案

3.1 加載方案

試驗(yàn)為結(jié)構(gòu)破壞試驗(yàn)，在靜力臺(tái)座上進(jìn)行。由作用力控制試驗(yàn)進(jìn)程，本試驗(yàn)采用兩點(diǎn)對(duì)稱加載施加兩個(gè)垂直荷載的方法(由油壓千斤頂進(jìn)行加載，由一根型鋼分配梁分配至兩點(diǎn)對(duì)梁施加荷載)。兩加載點(diǎn)距跨中300mm，并在兩個(gè)支座處、兩加載點(diǎn)處以及跨中五處位置布置位移計(jì)記錄位移變化。加載程序?yàn)橄阮A(yù)載，目的在于使試件各部接觸良好，進(jìn)入正常工作狀態(tài)，保證荷載與變形關(guān)系趨于穩(wěn)定，檢驗(yàn)試驗(yàn)裝置的可靠性以及儀表工作情況；之后再進(jìn)行正式分級(jí)加載，當(dāng)加載到標(biāo)準(zhǔn)荷載后，不卸載直接進(jìn)入破壞階段試驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

RCCB1試驗(yàn)現(xiàn)象：加載至35kN時(shí)，跨中開始出現(xiàn)裂縫，此時(shí)跨中位移0.52mm；加載至100kN時(shí)，跨中出現(xiàn)大量裂縫，此時(shí)跨中位移2.62mm；加載至220kN時(shí)，斜裂縫增多，此時(shí)跨中位移6.58mm；加載至300kN時(shí)，跨中裂縫有延伸，裂縫變寬，此時(shí)跨中位移9.63mm；加載至417.8kN時(shí)，跨中出現(xiàn)較寬裂縫，上邊緣鼓起，加載點(diǎn)位置混凝土脫落，此時(shí)構(gòu)件破壞(如圖3)，受拉區(qū)縱筋屈服。

圖3 RCCB1發(fā)生正截面受彎破壞

RCCB2試驗(yàn)現(xiàn)象：加載至35.2kN時(shí)，跨中出現(xiàn)裂縫，此時(shí)跨中位移0.94kN；加載至121.2kN時(shí)，在分配梁支座處出現(xiàn)斜裂縫(如圖4)并且延伸下去45度方向，此時(shí)跨中位移5.17mm；加載至185kN時(shí)，撓度增加很快，裂縫開展很快，分配梁支

圖4 RCCB2首先產(chǎn)生斜裂縫

座下出現(xiàn)大量斜裂縫，此時(shí)跨中位移12.3mm；加載至207kN時(shí)，撓度非常大，梁斷裂，鋼筋未屈服，此時(shí)混凝土梁發(fā)生剪切破壞(如圖5)。試驗(yàn)結(jié)果如下表2所示，荷載位移曲線圖如圖6所示。

圖5 RCCB2發(fā)生斜截面剪切破壞

圖6 荷載位移撓度曲線

由試驗(yàn)結(jié)果可知，RCCB1梁在靜力破壞試驗(yàn)中發(fā)生的是正截面受彎破壞，且正截面抗彎承載力實(shí)驗(yàn)值要大于理論計(jì)算值。而RCCB2梁發(fā)生的是斜截面受剪破壞，且縱筋未發(fā)生屈服破壞。

分析原因可知，在RCCB1中“日”字形箍筋在混凝土的受拉區(qū)域能夠提高梁的抗剪承載力，為了保證梁發(fā)生正截面受彎破壞，因此梁的斜截面抗剪承載力要大于正截面抗彎承載力，因此RCCB1能發(fā)生正截面破壞，由于受壓區(qū)的混凝土在區(qū)域約束下得到了較好的約束，提高了受壓邊緣混凝土達(dá)到混凝土極限壓應(yīng)變時(shí)的截面極限曲率，并不會(huì)明顯提高受拉鋼筋屈服時(shí)的截面屈服曲率，因此，梁的正截面承載力較理論計(jì)算值得到了提高。而RCCB2的受壓區(qū)混凝土能夠得到小方箍較好的約束，但是斜截面抗剪只靠混凝土承擔(dān)，在試驗(yàn)過程中首先產(chǎn)生的是斜截面裂縫，因此斜截面抗剪承載力明顯不足， 隨著斜截面裂縫很快延伸至受壓區(qū)域，導(dǎo)致受壓區(qū)的區(qū)域約束作用顯著下降，致使梁的正截面承載能力未得到充分利用而發(fā)生了斜截面的剪切破壞。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

4 區(qū)域約束混凝土梁的有限元分析

4.1 abaqus有限元模型的建立

在有限元的模型當(dāng)中增設(shè)一根普通鋼筋混凝土梁NCB3進(jìn)行對(duì)比。在NCB3模型中除受彎段(1200mm范圍內(nèi))采用間距為200mm的普通箍筋以外，其余參數(shù)與試驗(yàn)梁均相同。施加的靜力荷載為417.8KN(與RCCB1相同)觀察其在荷載作用下鋼筋的應(yīng)力情況。

RCCB1、RCCB2和NCCB3有限元模型如下圖7-10所示。有限元模型按照計(jì)算試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯仍O(shè)計(jì)?；炷翉?qiáng)度等級(jí)為C40，縱筋和箍筋均采用HRB400級(jí)鋼筋。建立abaqus模型混凝土采用C3D8R單元，鋼筋采用T3D2單元，將鋼筋埋入(embedded)混凝土單元中來模擬鋼筋混凝土之間的粘結(jié)關(guān)系。為防止加載過程中梁上加載面及支座處出現(xiàn)應(yīng)力集中，因此建模時(shí)在梁加載處和支座處設(shè)置鋼墊片，以增加接觸面積和剛度。

圖7 RCCB1鋼筋籠模型

圖8 RCCB2鋼筋籠模型

圖9 NCB3鋼筋籠模型

圖10 混凝土梁模型

4.2 abaqus計(jì)算結(jié)果分析

應(yīng)力云圖是試件受力過程中各個(gè)部位應(yīng)力情況最直觀的表現(xiàn)，可以一目了然的了解各部位的工作情況。RCCB1、RCCB2和NCB3的鋼筋籠應(yīng)力云紋圖如下圖11-13所示。

圖11 RCCB1鋼筋應(yīng)力云紋圖

圖12 RCCB2鋼筋應(yīng)力云紋圖

圖13 NCB3鋼筋應(yīng)力云紋圖

觀察用abaqus模擬的NCB3的鋼筋應(yīng)力云圖可以得出， 在418kN靜力荷載作用下，應(yīng)力最大的地方出現(xiàn)在兩端支座內(nèi)側(cè)，此時(shí)拉應(yīng)力為255MPa，縱筋并未屈服，此時(shí)普通梁的跨中豎向位移為2.4mm；但在觀察普通梁的塑性損傷受拉破壞模型(DAMAGET)中可以發(fā)現(xiàn)(如圖14)，受拉區(qū)的混凝土損傷因子為0.86，說明普通梁的受拉區(qū)混凝土已經(jīng)出現(xiàn)大量裂縫，而支座方向上的受壓區(qū)混凝土的受拉因子為0.58，說明混凝土已經(jīng)開始出現(xiàn)破壞，因此普通梁在荷載的作用下，豎向位移很小，受拉區(qū)縱筋未屈服，梁因?yàn)榛炷恋钠茐亩В虼诉@種破壞形式為超筋破壞，屬于脆性破壞。

圖14 NCB3 DAMAGET圖

5 結(jié)論

1.由試驗(yàn)結(jié)果可以得出，對(duì)于RCCB1所采用的“日”字形區(qū)域約束箍筋，其正截面抗彎承載力較理論計(jì)算值相比提高了8.7%，并且RCC梁在發(fā)生正截面受彎破壞時(shí)，具有較好的延性；而RCCB2所采用的小方箍因?yàn)槭芾瓍^(qū)混凝土未能得到箍筋的約束，抗剪承載力全由混凝土承擔(dān)，可以看到斜截面承載力明顯不足，從而發(fā)生了斜截面破壞，區(qū)域約束效果未能得到充分利用；因此“日”字形箍筋與小方箍相比較，能明顯提高梁的正截面抗彎性能；

2.abaqus模擬的普通梁模型NCB3在與RCCB1在豎向荷載相同的情況下，NCB3發(fā)生的是超筋梁的脆性破壞，而RCCB1發(fā)生的是延性破壞，說明區(qū)域約束混凝土梁能避免發(fā)生超筋破壞，RCC梁的延性較NCB相比得到顯著提高；

3.運(yùn)用abaqus對(duì)兩根梁的鋼筋骨架進(jìn)行了有限元分析可知，模擬分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果相近，進(jìn)一步驗(yàn)證區(qū)域約束混凝土梁的正截面抗彎性能具有較高的參考價(jià)值；

4.對(duì)于“日”字形區(qū)域約束箍筋形式對(duì)梁的性能影響可以利用abaqus軟件做進(jìn)一步研究，本文中“日”字形箍筋所取得間距50mm，下一步研究可將箍筋間距作為變量進(jìn)行探究；

5. 由于力學(xué)性能的改善及抗震性能的提高，使得構(gòu)件承載力提高，在同等荷載效應(yīng)及可靠度情況下，利用區(qū)域約束混凝上可以大幅度減小構(gòu)件截面面積，增加使用空間，能帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 曹新明，肖常安，肖建春，等．區(qū)域約束混凝土淺折[J]．工程抗震與加固改造，2008，30(5)：112—115．

[2] 柏潔．區(qū)域約束混凝土梁的試驗(yàn)研究[D]．貴陽：貴州大學(xué)，2005．

[3] 莫大霖.曹新明.肖利平.高文藝.預(yù)應(yīng)力區(qū)域約束混凝土梁數(shù)值研究[J].貴州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2015(2)：112-117.

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[5] GB50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[S]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[6] 鄧宗才.肖銳.徐海賓，等.高強(qiáng)鋼筋超高性能混凝土梁的使用性能研究[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào) 2015(10):1335-1340.

[7] 曹新明，曹鵬程，朱國(guó)良．區(qū)域約束混凝土性能試驗(yàn)研究[J]．建筑結(jié)構(gòu)(增刊)，2006，36：5-17-5-21.

(責(zé)任編輯：王先桃)

Experimental Research and Nonlinear Finite Element Analysison Shear Behavior of Regional Confined Concrete Beams

DING Jiajun1， CAO Xinming1*

(1.College of Civil Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025,China)

Regional confined concrete (RCC) is a new concept based on study of normal confined concrete (NCC). Many experiment researches have indicated that the compressive properties, shear capacity, anti-seismic capacity and ductility of RCC have a certain increase compared with NCC. By using the RCC constitutive relationships, nonlinear finite element analysis of 4 RCC beams under shear load has been made to simulate the whole process of the experiment. It proved that conclusion given by the nonlinear finite element analysis software of ABAQUS is consistent with the experiment which provided theoretic foundation for further research of RCC.

regional confined concrete; constitutive relationships; nonlinear finite element analysis

1000-5269(2016)06-0098-06

10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2016.06.22

2016-00-00

貴州省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳《區(qū)域約束混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)編制》(黔建科通[2013]367號(hào))

丁嘉俊(1991-)，男，在讀碩士，研究方向：區(qū)域約束混凝土結(jié)構(gòu)，Email：445107662@qq.com.

*通訊作者： 曹新明，Email：397246997@qq.com.

TU375.1

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