配置HRB500鋼筋的混凝土T形柱抗震性能有限元分析

曲輝　(天津市成套工程管理有限公司，天津 300171)

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配置HRB500鋼筋的混凝土T形柱抗震性能有限元分析

曲輝(天津市成套工程管理有限公司，天津 300171)

[摘要]運用有限元軟件ANSYS對4根配置HRB500鋼筋的混凝土T形柱試件進行了低周往復(fù)荷載試驗，對比分析了試件的承載能力、滯回特征和剛度退化等抗震性能指標，研究了軸壓比和配箍特征值對高強鋼筋混凝土T形柱抗震性能的影響。研究表明，配置HRB500鋼筋的T形截面混凝土異形柱具有較高的承載能力，增大軸壓比，可以有效減小試件正負向承載性能的不對稱性，提高構(gòu)件的承載力和初始抗側(cè)移剛度；增大配箍率，對構(gòu)件的極限抗剪承載力有一定的提高作用，可改善試件的滯回特性，剛度退化更為平緩，研究結(jié)果可為配置高強鋼筋的混凝土異形柱結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

[關(guān)鍵詞]異形柱；HRB500鋼筋；低周往復(fù)荷載；抗震性能

近年來，隨著住宅規(guī)模的不斷擴大，鋼筋混凝土異形柱結(jié)構(gòu)體系以其良好的經(jīng)濟、社會及環(huán)境綜合效益，在國內(nèi)外逐步得到發(fā)展[1～4]，以低強度鋼筋、普通混凝土作為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)主材的現(xiàn)狀制約了了異形柱結(jié)構(gòu)體系的進一步推廣應(yīng)用。新修訂的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010-2010)在鋼筋的品種上作了重要調(diào)整[5]，引入了強度為HRB500的熱軋帶肋鋼筋，并推廣具有較好的延性、可焊性、機械連接性能及施工適應(yīng)性的HRB500高強熱軋帶肋鋼筋作為縱向受力的主導(dǎo)鋼筋。然而，現(xiàn)行的《混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ149-2006)尚未明確HRB500鋼筋在混凝土異形柱結(jié)構(gòu)體系中的適用性，為盡快推廣HRB500鋼筋在混凝土異形柱結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，需對其性能進行深入研究，形成完整的技術(shù)數(shù)據(jù)，為《規(guī)程》的修訂提供技術(shù)參考。

1有限元模型與變量設(shè)計

1.1有限元模型

作為有限元分析軟件之一的大型軟件，ANSYS有其獨有的特點和廣泛用途，它擁有豐富和完善的單元庫、材料模型庫和求解器,能高效的求解各類結(jié)構(gòu)的靜力、動力、振動、線性和非線性、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析、瞬態(tài)動力分析、斷裂力學(xué)等問題[6]。模擬模型中混凝土和鋼筋分別采用Solid 65單元和Link 8單元，混凝土采用德國RüSCH建議的混凝土本構(gòu)模型，模型的上升段為二次拋物線，下降段為水平直線，公式如下：

當(dāng)ε≦ε0時:

(1)

當(dāng)ε0≦ε≦εu時:

σ=fc

(2)

式中，fc為混凝土峰值應(yīng)力(棱柱體極限抗壓強度)，MPa；ε0為混凝土峰值應(yīng)變，可取ε0=0.002；εu為極限壓應(yīng)變，取εu=0.0035。

鋼筋采用理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系，采用實體建模方式，首先建立混凝土的幾何塊體模型，用工作面切割塊體生成保護層，將工作面切割生成線定義為縱筋和箍筋，幾何模型建立之后，對已經(jīng)建立的模型采用進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分之后就生成了有限元模型[7]。在有限元模型中，鋼筋和混凝土通過共用節(jié)點實現(xiàn)共同工作。

1.2變量設(shè)計

筆者分析的變量有軸壓比和配箍特征值，其中配箍特征值用配箍間距來表征[8]，共進行4組數(shù)值模擬模型，模型的各參數(shù)如表1所示。

表1　模型參數(shù)

2抗震性能分析

2.1承載能力分析

結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力是低周反復(fù)試驗的一項重要指標，也是衡量其抗震性能的重要依據(jù)[9]。計算時屈服荷載取受拉主筋屈服時相應(yīng)的荷載值，極限荷載取達到最大承載能力時的水平荷載值，試件各主要階段承載力計算值如表2所示。

表2　試件各主要階段承載力計算值

由于T形截面柱正負向性能的迥異，導(dǎo)致了正負向荷載的非對稱性[10]。對比配箍間距相同而軸壓比不同的3組試件CTX90、CTD90-1、CTD90-2，可以看出軸壓比對試件承載性能有2方面作用：一方面，軸壓比對減小正負向荷載差異有顯著作用，表現(xiàn)為正向較負向屈服荷載的平均提高率由62%下降為40%和22.8%，極限荷載的平均提高率由29%下降為16.6%和0.2%；另一方面，對比CTX90、CTD90-1和CTD90-2的屈服荷載和極限荷載均有不同程度的提高，提高軸壓比可以提高試件承載能力。

對比軸壓比相同、配箍率不同的2組試件CTX90和CTX60，試件CTX60較CTX90屈服荷載均值及極限荷載均值分別提高9%、2.3%，表明箍筋可以延緩構(gòu)件斜裂縫出現(xiàn)，提高構(gòu)件的抗剪能力，但提高作用并不顯著。

2.2滯回性能分析

試件在反復(fù)荷載作用下，反復(fù)荷載與相應(yīng)位移之間的關(guān)系構(gòu)成滯回環(huán)，多次循環(huán)加載后所形成一系列滯回環(huán)構(gòu)成滯回曲線。滯回曲線是試件在周期反復(fù)荷載作用下力與位移的關(guān)系曲線，綜合反映了構(gòu)件的強度、剛度、延性及耗能等抗震性能，是構(gòu)件抗震性能的綜合體現(xiàn)。滯回環(huán)對角線的斜率反映構(gòu)件的總體剛度，滯回環(huán)包圍的面積則是荷載正反交變一周時構(gòu)件吸收的能量，表征構(gòu)件的耗能能力。滯回環(huán)通?？梢詺w納為梭形、弓形、反S形3種基本形態(tài)，所反映的耗能能力依次減弱。梭形常出現(xiàn)在鋼筋錨固可靠的壓彎構(gòu)件中；弓形反映了少量的鋼筋滑移及裂縫張開閉合對構(gòu)件剛度的影響，有明顯的捏攏效應(yīng)；反S形反映了剪切變形及縱筋的粘結(jié)滑移影響，耗能能力較差。各試件的水平荷載—柱端位移滯回曲線如圖1所示。

圖1　各試件水平荷載-柱頂位移滯回曲線

總體來看，在循環(huán)加載初期，試件處于彈性階段，水平荷載與柱端位移基本呈比例變化，滯回曲線基本成直線，卸荷及變形恢復(fù)都比較充分；試件屈服后，加載剛度與卸載剛度逐漸降低，并隨著位移幅值的增大及循環(huán)次數(shù)的增多，退化現(xiàn)象愈加明顯。

試件CTX60的滯回曲線較CTX90的滯回曲線更為飽滿，試件CTX60的變形也較大。由此可見，配箍率對異形柱的滯回耗能影響較大，加密箍筋在一定程度上可以提高構(gòu)件的延性。

由于T形截面沿加載方向的不對稱性，滯回曲線一般也不對稱，對比CTX90，隨著軸壓比的增大，CTD90-1和CTD90-2的負向承載力不斷提高，而正向承載力提高不大，因此滯回曲線越來越趨于對稱。

2.3剛度退化

反復(fù)荷載作用下，隨著加載循環(huán)和位移幅值的增大，在裂縫開展和塑性變形不斷發(fā)展過程中，試件的內(nèi)部損傷也逐步累積，造成構(gòu)件強度逐漸降低和變形加大的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為剛度退化[11]。剛度退化是低周反復(fù)荷載作用下試件抗震能力退化的一個重要原因，剛度分析中通常用等效剛度來表征構(gòu)件的剛度。等效剛度是指本次循環(huán)的荷載最大值點(即骨架點)與坐標原點連線的斜率，又稱為割線剛度，可根據(jù)式(3)來計算:

(3)

式中，p為第i次循環(huán)滯回曲線峰值點的荷載值，kN；Δ為第i次循環(huán)滯回曲線峰值點對應(yīng)的位移值,mm。

各個試件的剛度隨位移變化的關(guān)系曲線如圖2所示。由圖2可以看出，試件的剛度退化曲線表現(xiàn)出不對稱現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為正負向初始側(cè)移剛度的不對稱，其次為剛度衰減速率的不對稱。各試件的剛度退化過程類似，試件屈服前剛度退化較快，隨著加載進行，剛度退化逐漸變緩，后期剛度逐漸穩(wěn)定。

圖2　各試件剛度-位移對比

加載初期，試件的正反向加載產(chǎn)生的剛度退化曲線不對稱，正向加載的初始剛度小于反向加載時的初始剛度，主要原因是初始加載造成反向的剛度先損傷，損傷累積導(dǎo)致剛度不對稱，同時鋼材的包辛格效應(yīng)也導(dǎo)致剛度退化的不對稱。但隨著加載的進行，結(jié)構(gòu)的正反向剛度逐漸接近。

軸壓比大的試件，試件的初始剛度也較大，但剛度退化較快，在加載后期，相同位移下軸壓比大的試件剛度較大表明適當(dāng)增大軸壓比可以提高構(gòu)件初始抗側(cè)移剛度，而軸壓比較小的試件后期抗震性能更加穩(wěn)定，配箍特征值對剛度退化影響效果不顯著。

3結(jié)論

通過對4個配置HRB500鋼筋的混凝土T形柱試件進行低周往復(fù)荷載下的有限元分析，由計算所得的各項數(shù)據(jù)進行歸納總結(jié)，對試件在低周反復(fù)荷載作用下的承載能力、滯回性能和剛度退化等抗震性能進行了深入地研究和分析，研究了配置HRB500鋼筋的T形截面混凝土異形柱的抗震性能，得出如下結(jié)論：

1)T形截面柱由于沿加載方向截面的不規(guī)則和鋼筋分布的不均勻，在反復(fù)荷載作用下，正負向的性能表現(xiàn)出顯著地差異。

2)提高軸壓比可以有效減小試件正負向承載性能的不對稱性，在一定程度上提高構(gòu)件的極限承載力；加密箍筋對構(gòu)件的極限抗剪承載力有一定的提高作用，但影響并不顯著。建議工程實際中采用HRB500作箍筋時可適當(dāng)放寬加密區(qū)箍筋的限制，以提高施工質(zhì)量，獲取更好的經(jīng)濟效益。

3)各試件滯回曲線呈現(xiàn)出不對稱性，翼緣受壓時表現(xiàn)出良好的耗能能力，曲線呈較為飽滿的梭形，剛度強度退化平緩；腹板受壓時，滯回曲線由梭形向弓形轉(zhuǎn)化，荷載衰減較為迅速。增大配箍率，可以提高滯回環(huán)的飽滿程度，剛度退化更為平緩；增大軸壓比可以改善滯回曲線的不對稱性，提高構(gòu)件初始抗側(cè)移剛度，而軸壓比較小的試件后期抗震性能更加穩(wěn)定。

4)配置HRB500鋼筋的T形截面混凝土異形柱具有較高的承載能力，剛度退化平緩，表現(xiàn)出良好的延性，其抗震性能的變化規(guī)律與普通鋼筋混凝土T形截面柱一致。

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[編輯]計飛翔

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-1409(2016)07-0059-04

[中圖分類號]TU375

[作者簡介]曲輝(1982-)，男，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事工程項目管理方面的研究工作；E-mail:909551190@qq.com。

[基金項目]河北省建設(shè)廳科學(xué)技術(shù)研究計劃項目(2014-123)。

[收稿日期]2015-11-26

[引著格式]曲輝.配置HRB500鋼筋的混凝土T形柱抗震性能有限元分析[J].長江大學(xué)學(xué)報(自科版)，2016,13(7)：59～62.