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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

    2016-04-27 06:05:46曲輝天津市成套工程管理有限公司天津300171
    關(guān)鍵詞:抗震性能

    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.

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