CRB550級(jí)鋼筋約束混凝土柱抗震性能研究

田思銘

摘 要：該文主要研究的是CRB550級(jí)箍筋的混凝土柱的抗震性能，根據(jù)箍筋使用的不同鋼材以及箍筋的直徑、軸壓比和縱筋配筋率等鋼筋混凝土柱試件指標(biāo)的不同，同時(shí)還在低周反復(fù)水平荷載的作用下進(jìn)行模擬靜力試驗(yàn)，整個(gè)研究共配置了3種強(qiáng)度等級(jí)，分別為HPB235、HRB335 和CRB550，通過對(duì)混凝土柱試件的骨架曲線和能量耗散能力等進(jìn)行分析和對(duì)比，最終結(jié)果表明CRB550型的鋼筋能夠滿足材料性能的要求，同時(shí)還能達(dá)到節(jié)省鋼筋使用量，進(jìn)而節(jié)約能源的目的。

關(guān)鍵詞：CRB550級(jí)鋼筋 混凝土柱 抗震性能

中圖分類號(hào)：TU375.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）07（c）-0026-02

CRB550型冷軋鋼筋是以HPB235鋼筋為原料，通過冷加工制作而成。CRB550級(jí)鋼筋具有較高的強(qiáng)度，比HPB235鋼筋的強(qiáng)度提高了約71%，而且根據(jù)一些原則設(shè)計(jì)及構(gòu)造要求制作后還可以節(jié)省30%以上的鋼材，這對(duì)于低碳環(huán)保和節(jié)約能源來說具有重要的意義。目前CRB550級(jí)鋼筋主要用于剪力墻中的分布筋，很少作為箍筋，因?yàn)榭拐鹨?guī)范中對(duì)于箍筋具有明確的規(guī)定，而且還要按照要求配箍，如果使用CRB550級(jí)鋼筋就會(huì)造成浪費(fèi)，對(duì)于CRB550級(jí)鋼筋約束混凝土柱抗震性能的相關(guān)研究可以為CRB550級(jí)鋼筋的廣泛使用提供理論基礎(chǔ)。

1 對(duì)混凝土柱相關(guān)構(gòu)件的性能指標(biāo)進(jìn)行確定

1.1 對(duì)試件進(jìn)行設(shè)計(jì)以及選取合理的有限元參數(shù)

1.1.1 試件設(shè)計(jì)

在試件設(shè)計(jì)之前要先確定試驗(yàn)方案，選擇一定數(shù)量的鋼筋混凝土柱試件并進(jìn)行分組，之后進(jìn)行低周反復(fù)水平荷載的試驗(yàn)，分別研究箍筋的強(qiáng)度、間距和截面尺寸等相關(guān)指標(biāo)的變化，從而計(jì)算CRB550箍筋約束柱所具有的抗震性能。

試件的參數(shù)設(shè)計(jì)如下：使用混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30的試件，軸壓比取3種，分別為0.7、0.8和0.9，選取直徑為16 mm和22 mm的HRB335級(jí)鋼筋作為縱筋，使縱筋的配筋率保持在1.3%～2.5%的范圍內(nèi)，箍筋選用HPB235、HRB335和CRB550共3種強(qiáng)度等級(jí)的鋼筋材料，間距選擇70～150 mm。

1.1.2 有限元參數(shù)的選取

有限元參數(shù)的選取分別從網(wǎng)絡(luò)劃分、單元選取、邊界條件和加載方式4個(gè)方面來考慮。首先，網(wǎng)絡(luò)劃分是一種使用纖維單元的方式來對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件進(jìn)行有限元分析，因此應(yīng)當(dāng)對(duì)纖維的劃分方式和截面的纖維數(shù)目進(jìn)行合理設(shè)置，如果纖維過大的話，網(wǎng)絡(luò)劃分的計(jì)算結(jié)果精確度就會(huì)受到影響，若纖維劃分?jǐn)?shù)目較多的話雖然能夠提高計(jì)算的精確度，卻很大程度上造成計(jì)算成本的增加，引起了不必要的浪費(fèi)。

其次，該研究單元選取使用的是Nonlinear Beam Column單元，這種單元通過控制截面的抗力和矩陣剛度，并使用Gauss-Lobatto的積分方法，只要已知桿長就能計(jì)算出單元截面的抗力和矩陣剛度，并且由此控制剛度的變化。該單元是以柔度法理論為基礎(chǔ)建立而成的，采用的函數(shù)不是位移插值函數(shù)而是力插值函數(shù)，主要原理如下：不管單元分布荷載進(jìn)行何種變化，假定一個(gè)內(nèi)力分布，桿件在任何狀態(tài)下都可以嚴(yán)格滿足，因?yàn)檫@是單元控制方程之一的平衡條件。

對(duì)于邊界條件來說，由于該研究只限于二維空間上的問題，因此根據(jù)有限元模型的試驗(yàn)條件，將固定端設(shè)置為鋼筋混凝土柱試件的根部，根部共有1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度以及兩個(gè)平動(dòng)自由度，將這些全部約束住，這樣就可以通過程序的相應(yīng)命令將根部實(shí)現(xiàn)固接。

有限元模型采用的加載方式是低周往復(fù)位移控制加載，在試驗(yàn)過程中，根據(jù)試件軸壓比的不同，施加合適的豎向荷載，豎向荷載的10個(gè)加載步全部都是采用力控制，在水平力施加時(shí)是以屈服位移值為基礎(chǔ)分級(jí)進(jìn)行加倍施加，并每級(jí)循環(huán)3次，控制每個(gè)加載步的位移為0.1 mm。

1.2 混凝土柱構(gòu)件性能狀態(tài)的相關(guān)控制準(zhǔn)則

構(gòu)件在不同的狀態(tài)下，其性能指標(biāo)也有所區(qū)別，因此抗震設(shè)計(jì)的方法應(yīng)當(dāng)進(jìn)行嚴(yán)格控制?；炷翗?gòu)件在地震作用的考驗(yàn)下具有兩個(gè)非常重要的性能狀態(tài)，分別是承載力和變形極限，也可以稱為屈服狀態(tài)和極限狀態(tài)。目前抗震規(guī)范中對(duì)于建筑物的水準(zhǔn)有3個(gè)要求，分別是小震不壞、中震可修、大震不倒，這也是根據(jù)構(gòu)件本身的受力情況和性能狀態(tài)來確定的。構(gòu)件在達(dá)到屈服狀態(tài)之前，混凝土由于拉力而開裂，鋼筋也處于彈性受拉的狀態(tài)，但此時(shí)構(gòu)件基本是是完好的，因此可以將鋼筋混凝土柱構(gòu)件此時(shí)的狀態(tài)作為小震下構(gòu)件的性能狀態(tài)；相反，如果構(gòu)件遭到了嚴(yán)重破壞，承載力急速下降或者彈塑性變形能力到達(dá)了極限的情況，此時(shí)可以將構(gòu)件的狀態(tài)叫做大震下構(gòu)件的性能狀態(tài)；而中震下構(gòu)件的性能狀態(tài)應(yīng)該是大震和小震之間的狀態(tài)，因此將構(gòu)件水平力在達(dá)到峰值時(shí)的狀態(tài)視作中震下構(gòu)件的變形，但是一般情況下，中震下的構(gòu)件水平力無法達(dá)到峰值，因此選取0.9作為一個(gè)系數(shù)，即水平承載力峰值的塑壓變形情況的0.9倍以及大震狀態(tài)下構(gòu)件變形情況的一半就是中震下構(gòu)件的塑壓變形的范圍，此時(shí)構(gòu)件的狀態(tài)就是中震下對(duì)應(yīng)的狀態(tài)。

1.3 選取混凝土柱構(gòu)件變形指標(biāo)

在水平荷載作用下，鋼筋混凝土構(gòu)件的變形度越大，其彈塑性發(fā)展情況和破壞程度就會(huì)越嚴(yán)重，因此混凝土柱構(gòu)件變形指標(biāo)采用的是與構(gòu)件的變形相關(guān)的一些變量，這樣可以更好地反映出構(gòu)件的性能狀態(tài)。

2 有關(guān)鋼筋混凝土柱試件抗震性能的研究

2.1 對(duì)比與分析試件骨架曲線

試件骨架曲線是在低周往復(fù)荷載作用下滯回曲線的所有峰值點(diǎn)的連線，大多數(shù)情況下，骨架曲線與單調(diào)加載時(shí)荷載-位移曲線的形狀十分相似。試驗(yàn)結(jié)果表明：在箍筋抗拉強(qiáng)度相等的條件下，CRB550級(jí)箍筋混凝土試件由于其直徑較小，因此其力學(xué)性能比普通的鋼筋配箍混凝土試件更好，而且其他組的強(qiáng)度和剛度退化情況研究中，也出現(xiàn)了類似的情況。試驗(yàn)中，有些試件由于縱向鋼筋被拉斷而承載力被大幅度降低，因此得出的骨架曲線在達(dá)到極限荷載后出現(xiàn)了大幅度下降，曲線比較陡峭。

2.2 對(duì)比與分析試件的能量耗散能力

低周往復(fù)加載試驗(yàn)中可以得出以下結(jié)論：（1）隨著控制位移的增大，試件的耗能系數(shù)先增大，后減小。（2）試件的耗能系數(shù)在1.0～2.0的范圍內(nèi)，可以看出構(gòu)件具有良好的耗能性。（3）得出的耗能系數(shù)由于試件的屈服位移的不同而不同，但是最終的曲線具有良好的吻合效果，說明CRB550級(jí)鋼筋作為箍筋使用是可行的。

2.3 關(guān)于CRB550級(jí)高強(qiáng)箍筋直徑使用限值提出的有效建議

通過上述的各項(xiàng)研究結(jié)果，在對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)的箍筋試件進(jìn)行耗能性能、承載力和剛度退化等多種抗震性能進(jìn)行測(cè)試后，可以對(duì)CRB550級(jí)鋼筋作為箍筋使用時(shí)提出一些建議。箍筋的最小直徑應(yīng)當(dāng)適當(dāng)?shù)販p小，但是務(wù)必要滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，同時(shí)體積配箍率與箍筋最大間距等指標(biāo)的確定也要參考相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)語

通過上述研究對(duì)不同鋼材構(gòu)件的抗震性能分析之后決定采用CRB550級(jí)鋼筋來作為混凝土柱箍筋，主要原因是CRB550級(jí)鋼筋的直徑比HPB235或HRB335級(jí)鋼筋更小，同時(shí)這三者之間的承載力、剛度和耗能能力并沒有明顯的區(qū)別，而且滿足相應(yīng)規(guī)范各項(xiàng)指標(biāo)的要求，具有較好的抗震性能。對(duì)于CRB550級(jí)鋼筋的有效利用能夠有力地減少鋼筋用量，進(jìn)而達(dá)到節(jié)省能源的效果。

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