十字形鋼筋混凝土軸心受壓柱三維非線性數(shù)值模擬分析

胡海燕，劉 忠，陳 根，劉 杰

(湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖南 湘潭 411105)

十字形鋼筋混凝土軸心受壓柱三維非線性數(shù)值模擬分析

胡海燕，劉 忠，陳 根，劉 杰

(湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖南 湘潭 411105)

異形柱以其明顯優(yōu)勢在我國得到廣泛應(yīng)用。為了研究十字形鋼筋混凝土軸心受壓柱的性能，以擬靜力試驗(yàn)為基礎(chǔ)，采用有限元分析方法建立有限元模型，選取Mander約束本構(gòu)模型，對(duì)軸心受壓情況下的十字形鋼筋混凝土柱進(jìn)行力學(xué)性能分析，討論了箍筋間距、混凝土強(qiáng)度、配筋率等因素對(duì)十字形鋼筋混凝土柱力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明箍筋間距、混凝土強(qiáng)度和配筋率對(duì)十字形鋼筋混凝土柱受力性能的影響都較大。

十字形鋼筋混凝土柱；數(shù)值模擬；本構(gòu)模型

截面幾何形狀為T形、L形和十字形，且截面各肢的肢長與其厚度之比不大于4的柱，稱為異形柱[1]。異形柱近年來在我國得到較廣泛地應(yīng)用。天津大學(xué)孫林柱等[2]人進(jìn)行了關(guān)于異形柱的試驗(yàn)研究。

本文針對(duì)十字形鋼筋混凝土軸心受壓柱的受力性能,采用有限元分析方法進(jìn)行三維有限元非線性數(shù)值模擬分析，探討箍筋間距、混凝土強(qiáng)度、配筋率等因素對(duì)其力學(xué)性能的影響[3-14]。

1 有限元數(shù)值模擬分析

1.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)孫林柱等[2]人對(duì)十字形鋼筋混凝土軸心受壓柱的試驗(yàn)，試件加載裝置和配筋如圖1和圖2所示。

應(yīng)用有限元分析軟件ABAQUS，建立了三維有限元模型，如圖3所示。該模型以柱底截面形心為坐標(biāo)原點(diǎn)，Z軸方向?yàn)橹母叨确较?，軸向荷載施加在截面形心處。在柱的兩端分別設(shè)置了剛性墊板，以避免柱端因應(yīng)力集中導(dǎo)致局部損壞嚴(yán)重。在柱底端施加X、Y、Z方向的約束，在柱頂端施加X、Y方向的約束。

圖1 試件加載裝置示意圖

圖2 試件配筋圖

圖3 有限元模型

鋼筋本構(gòu)關(guān)系采用理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系?；炷恋谋緲?gòu)關(guān)系采用Mander J B[15]本構(gòu)模型，其關(guān)系式為：

(1)

其中：

采用上述模型，針對(duì)十字形鋼筋混凝土軸心受壓柱，進(jìn)行有限元數(shù)值分析，得到了荷載-應(yīng)變曲線，如圖4所示。計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)曲線的趨勢一致，基本吻合。

圖4 荷載-應(yīng)變曲線

1.2 受力性能分析

1.2.1 正截面應(yīng)力分析

不同荷載作用下，柱中截面(Z=500 mm)處混凝土和鋼筋的應(yīng)力分布，如圖5所示。

由圖5可知，在十字形鋼筋混凝土柱在軸心荷載加載初期，鋼筋還未達(dá)到屈服強(qiáng)度，箍筋對(duì)混凝土的約束作用還不明顯，保護(hù)層和核心混凝土的應(yīng)力基本一致，截面應(yīng)力分布十分均勻。而隨著荷載的增加，鋼筋達(dá)到受壓屈服強(qiáng)度，混凝土截面應(yīng)力呈現(xiàn)截面中央和指向截面角部的延伸區(qū)域應(yīng)力較大，混凝土截面周邊區(qū)域及箍筋直線段中部的附近區(qū)域的應(yīng)力較小的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象形成的主要原因是因?yàn)殡S荷載增加其核心混凝土的橫向膨脹，變形使箍筋的直線段產(chǎn)生水平彎曲，由于箍筋的抗彎剛度較小，它對(duì)核心混凝土的反作用力也較小，所以箍筋的直線段中部附近的應(yīng)力較小，而箍筋的轉(zhuǎn)角部剛度大，變形小，兩個(gè)垂直方向的拉力合成對(duì)核心混凝土對(duì)角線方向的產(chǎn)生強(qiáng)力約束，導(dǎo)致箍筋轉(zhuǎn)角部位和混凝土截面中央?yún)^(qū)域應(yīng)力較大。

1.2.2 混凝土變形分析

柱中截面(Z=500 mm)處混凝土橫向(X方向)位移分布，如圖6所示。

由圖6可知，十字形鋼筋混凝土柱在軸向荷載作用下，柱中截面處X方向位移沿Y軸對(duì)稱分布，混凝土向外橫向膨脹，且變形值以Y=0為中軸線向兩側(cè)按梯度增大。

混凝土(Y=135，Y=0)橫向應(yīng)變沿柱身高度方向分布，如圖7所示。

圖5 十字形鋼筋混凝土軸壓柱橫截面軸向應(yīng)力分布圖

圖6 混凝土截面橫向位移

圖7 混凝土軸向應(yīng)變沿柱高方向分布

由圖7可知，由于柱端的約束作用，混凝土橫向應(yīng)變在兩端較小，而柱身中部位置的應(yīng)變較兩端大，且以柱身中部為對(duì)稱軸呈對(duì)稱分布。這與軸心受壓柱的變形特征一致，柱身中部變形最大，向外曲屈并外鼓最終呈燈籠狀破壞。

2 參數(shù)分析

2.1 箍筋間距的影響

不同箍筋間距下荷載-縱向位移曲線如圖8所示。由圖8可知，箍筋間距對(duì)十字形鋼筋混凝土軸心受壓柱承載能力有一定影響。

圖8 箍筋間距對(duì)荷載-縱向位移曲線的影響

極限承載力隨箍筋間距的變化如圖9所示。由圖9可知，當(dāng)箍筋間距從250 mm減少到150 mm的過程中，箍筋間距的減少對(duì)極限承載力的影響較小，其強(qiáng)度增加不明顯。當(dāng)箍筋間距從150 mm減少到30 mm的過程中，極限承載力和縱向位移明顯增大。故對(duì)于十字形鋼筋混凝土軸心受壓柱而言，當(dāng)箍筋間距在少于150 mm的范圍內(nèi)，減少箍筋間距箍筋的約束作用增強(qiáng)明顯，能提高其強(qiáng)度和改善延性性能，當(dāng)箍筋間距在大于150 mm的范圍內(nèi)減少箍筋間距對(duì)其強(qiáng)度和延性性能影響不大。

圖9 極限承載力隨箍筋間距的變化

2.2 混凝土強(qiáng)度的影響

不同混凝土強(qiáng)度荷載-縱向位移如圖10所示。

圖10 混凝土強(qiáng)度對(duì)荷載-位移曲線的影響

由圖10可知，隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的增加，極限荷載承載力值不斷增加，縱向位移逐漸減小?；炷翉?qiáng)度從C30增加至C50，其承載力提高的幅度達(dá)31.2%。產(chǎn)生以上現(xiàn)象的主要原因是混凝土強(qiáng)度越高，其彈性模量就越大，則應(yīng)力應(yīng)變比越大，脆性性質(zhì)越明顯。

2.3 配筋率的影響

不同配筋率下荷載-縱向位移曲線如圖11所示。

圖11 配筋率對(duì)荷載-縱向位移曲線的影響

由圖11可知，隨著配筋率的不斷增加，十字形鋼筋混凝土軸心受壓柱的承載能力也在不斷提高，但在這四種不同配筋率情況下，其縱向位移基本不變。說明十字形鋼筋混凝土柱隨著配筋率的增加，對(duì)縱向位移影響可以忽略。

3 結(jié) 語

本文對(duì)十字形鋼筋混凝土軸心受壓柱進(jìn)行有限元分析得到：

(1) 十字形鋼筋混凝土軸心受壓柱在加載初期，箍筋對(duì)混凝土的約束作用較小，混凝土截面應(yīng)力分布均勻，隨荷載增加，箍筋約束作用增強(qiáng)，由于箍筋的直線段抗彎剛度比箍筋的轉(zhuǎn)角部剛度小，導(dǎo)致混凝土截面應(yīng)力呈現(xiàn)截面中央和指向截面角部的延伸區(qū)域應(yīng)力較大，混凝土截面周邊區(qū)域及箍筋直線段中部的附近區(qū)域的應(yīng)力較小。

(2) 在軸壓作用下，箍筋間距小于150 mm時(shí)，隨箍筋間距減少，對(duì)混凝土提供的55約束作用越明顯，當(dāng)箍筋間距較大時(shí)，箍筋對(duì)混凝土提供的約束作用不大。

(3) 在軸壓作用下，隨著混凝土強(qiáng)度的提高，十字形鋼筋混凝土軸心受壓柱的承載能力提高，相應(yīng)的縱向位移減少，脆性性質(zhì)明顯越明顯。

(4) 在軸壓作用下，隨著配筋率的提高，十字形鋼筋混凝土軸心受壓柱的承載能力提高，但對(duì)縱向位移影響不大。

[1] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程:JGJ149-2006[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2006.

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Three Dimensional Nonlinear Numerical Simulation Analysis of Cross Shaped Reinforced Concrete Column Under Axial Loading

HU Haiyan, LIU Zhong, CHEN Gen, LIU Jie

(CollegeofCivilEngineeringandMechanics,XiangtanUniversity,Xiangtan,Hu'nan411105,China)

Special shaped columns have been widely used in our country because of their obvious advantages. In order to study the performance of reinforced concrete columns under axial compression, based on the quasi static test, this paper established finite element model by finite element analysis. Mander constitutive model was used to analyze the mechanical properties of cross shaped reinforced concrete column under axial compressive loads, and the influence of stirrup spacing, strength of concrete and concrete reinforcement ratio on the mechanical performance of cross shaped reinforced concrete column were discussed. The results show that stirrup spacing, strength of concrete and concrete reinforcement ratio have great influence on the stress performance of cross shaped concrete column.

cross shaped reinforced concrete columns; numerical simulation; constitutive model

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.02.011

2017-01-15

2017-02-18

胡海燕(1992—)，女，湖南衡陽人，碩士研究生，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)工程。 E-mail:1625596117@qq.com

TU375.3

A

1672—1144(2017)02—0060—05