鋼筋混凝土柱軸心抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)研究

衛(wèi)愛霞　李峰　謝勝濤

【摘 要】針對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件尺寸效應(yīng)問題，通過有限元數(shù)值模型進(jìn)行軸心受壓破壞行為及尺寸效應(yīng)數(shù)值研究，揭示鋼筋混凝土圓柱的軸心抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)規(guī)律，為大尺寸鋼筋混凝土尺寸效應(yīng)試驗(yàn)提供了參考。

【關(guān)鍵詞】鋼筋混凝土；軸心抗壓強(qiáng)度；尺寸效應(yīng)；數(shù)值研究

中圖分類號(hào)： TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2017）20-0035-002

Numerical research of the effect of compressive strength of reinforced concrete column axis

WEI Ai-xia LI Feng XIE Sheng-tao

（Institute of Disaster Prevention，Sanhe Hebei 065201，China）

【Abstract】Aiming at the problem of size effect of reinforced concrete members， the finite element models of structures was adopted to study the damage behavior and size effect of stirrup-confined columns， discover the law of size effect of axial compressive strength of reinforced concrete columns， and provide references for the size effect test of large-size reinforced concrete.

【Key words】Reinforced concrete；Axis compressive strength；Size effect；Numerical studies

0 引言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是由鋼筋和混凝土組合而成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，它的力學(xué)性能直接由鋼筋和混凝土的力學(xué)性能來決定[1]。與混凝土材料相比，鋼筋的力學(xué)性能簡(jiǎn)單，容易掌握，均質(zhì)性高。而混凝土作為一種由粗骨料、細(xì)骨料、水泥砂漿及初始缺陷構(gòu)成的多項(xiàng)復(fù)合材料，其內(nèi)部的非均質(zhì)性構(gòu)造特征使得混凝土具有顯著的尺寸效應(yīng)[2]。因此，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能也必然存在尺寸效應(yīng)。在材料和構(gòu)件層次，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也充分考慮到了混凝土與鋼筋之間相互作用力學(xué)行為的高復(fù)雜性，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了鋼筋混凝土構(gòu)件層次的尺寸效應(yīng)行為[3-5]。鋼筋混凝土的構(gòu)件的非均質(zhì)性尺寸效應(yīng)和鋼筋/混凝土的非線性相互作用是目前研究的熱點(diǎn)，直接根據(jù)小尺寸試件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立的理論方法因受試驗(yàn)設(shè)備和經(jīng)濟(jì)條件的限制未必具有普遍的指導(dǎo)作用，而通過大尺寸的鋼筋混凝土構(gòu)件試驗(yàn)來研究構(gòu)件層次的尺寸效應(yīng)問題在現(xiàn)實(shí)中面臨諸多困難。因此，如果能夠建立表達(dá)鋼筋與混凝土非線性作用、混凝土的尺寸效應(yīng)的數(shù)值模型，研究鋼筋混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能，掌握其破壞過程與機(jī)理，進(jìn)而從小尺寸外推到大尺寸，從細(xì)觀尺度數(shù)值模型出發(fā)，對(duì)預(yù)測(cè)大尺寸鋼筋混凝土構(gòu)件的力學(xué)特性和破壞行為具有重要意義。

1 鋼筋混凝土細(xì)觀尺度力學(xué)模型

為了更精確表達(dá)鋼筋混凝土構(gòu)件的尺寸效應(yīng)與鋼筋/混凝土非線性相互作用，本文采用混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)建立細(xì)觀尺度數(shù)值分析模型。假設(shè)混凝土材料由球狀骨料顆粒、砂漿介質(zhì)和界面過渡區(qū)共同構(gòu)成，其中骨料顆粒含量設(shè)為35%，使用30mm和16mm的等效粒徑表示骨料顆粒的連續(xù)級(jí)配。采用Monte-Carlo法隨機(jī)投放骨料顆粒，并在骨料結(jié)構(gòu)上投影有限元網(wǎng)格，依據(jù)網(wǎng)格單元尺寸小于1/4骨粒粒徑的原則，設(shè)定網(wǎng)格單元大小為4mm，界面相厚度設(shè)置為4mm。根據(jù)骨料在網(wǎng)格中的位置判斷為骨料單元、砂漿單元和界面單元類型并賦予對(duì)應(yīng)的材料特性。為了揭示鋼筋混凝土圓柱的軸壓破壞尺寸效應(yīng)，按照1：1.5：2.25的截面尺寸比例設(shè)計(jì)與試驗(yàn)試件相同的3組三維約束混凝土圓柱數(shù)值模型，其截面邊長(zhǎng)與柱高分別為282mm×846mm、424mm×1272mm、636mm×1908mm。建立CBS-1、CBS-2、CBM-1、CBM-2、CBL-1和CBL-2共3組鋼筋約束混凝土圓柱數(shù)值模型，其中“C”代表圓形截面；“B”表示體積配箍率ρsv=2.89%；“S、M、L”分別表示構(gòu)件尺寸的小、中、大型號(hào)；模型代號(hào)后的數(shù)字表示模型號(hào)。本次試驗(yàn)采用C30混凝土和HRB400級(jí)鋼筋，按照我國(guó)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50010-2010）推薦的鋼筋-混凝土黏結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系模型來描述其相互作用問題。

2 鋼筋混凝土柱軸心受壓力學(xué)行為

對(duì)3組不同尺寸的約束混凝土圓柱的軸壓破壞行為模式時(shí)，各骨料體積分?jǐn)?shù)相同，僅空間隨機(jī)分布不同，固定圓柱底邊，在其頂部施加位移載荷，兩側(cè)為自由邊界，鋼筋混凝土圓柱在軸心壓力作用下，先從受壓端下側(cè)產(chǎn)生微小裂縫，但從圓柱整體來看，受壓端并未產(chǎn)生明顯破壞，破壞主要集中發(fā)生在圓柱中部；隨著加載力的逐漸增大，鋼筋混凝土圓柱外側(cè)混凝土脫落，裂縫逐漸向下發(fā)展，使圓柱體中部的破壞面積逐漸增大，產(chǎn)生更多斜裂縫，隨著這些裂縫的發(fā)展，最終沿圓柱體表面形成一道斜裂縫，鋼筋混凝土圓柱中的鋼筋達(dá)到屈服強(qiáng)度，使得鋼筋混凝土圓柱最終發(fā)生剪切破壞，喪失其穩(wěn)定性。

數(shù)值模擬得到的名義軸壓強(qiáng)度如表1所示，由誤差知數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，誤差最大不超過1.22%，證明了該方法的有效性。在相同體積配箍率下，3組構(gòu)件模型的名義軸心抗壓強(qiáng)度均隨構(gòu)件尺寸的增大而減少，這說明約束混凝土圓柱存在尺寸效應(yīng)現(xiàn)象。

圖1是創(chuàng)建的三種不同尺寸的有限元數(shù)值模型在軸向壓縮數(shù)值試驗(yàn)下獲得的鋼筋混凝土圓柱名義應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系曲線，圖中橫坐標(biāo)是柱端豎向位移Δ與柱高H，縱坐標(biāo)軸向應(yīng)力為軸向荷載與柱橫截面面積的比值，從圖中可以看出，因?yàn)楹诵膮^(qū)混凝土處在三軸受壓力狀態(tài)，當(dāng)構(gòu)件模型達(dá)到峰值強(qiáng)度后，混凝土材料橫向膨脹量顯著增大，箍筋的約束力隨之增強(qiáng)，在箍筋約束作用下，核心區(qū)混凝土的剪切變形和膨脹變形受到限制，所以名義軸壓強(qiáng)度和變形能力顯著提高。不同尺寸的鋼筋混凝土圓柱的破壞歷程基本上是一致的，鋼筋混凝土圓柱的整個(gè)破壞過程符合鋼筋混凝土圓柱在實(shí)驗(yàn)室得到的軸心受壓破壞機(jī)理。

3 結(jié)論

本文采用鋼筋混凝土軸壓破壞行為及尺寸效應(yīng)模擬的三維細(xì)觀尺度數(shù)值模擬方法開展了鋼筋約束混凝土柱軸心抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)理論分析，主要的研究結(jié)論如下：

（1）數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，鋼筋混凝土柱三維細(xì)觀分析模型較好表征了幾何尺寸對(duì)構(gòu)件破壞行為及名義強(qiáng)度的影響，鋼筋混凝土圓柱軸心抗壓強(qiáng)度存在較顯著的尺寸效應(yīng)現(xiàn)象。

（2）本文建立的鋼筋混凝土圓柱有限元數(shù)值模型在軸心壓縮下得到的數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好，能夠?yàn)榇蟪叽玟摻罨炷翀A柱構(gòu)件提供良好的理論參考。

（3）箍筋不僅有效提高了混凝土的軸向名義壓縮強(qiáng)度而且箍筋對(duì)混凝土的尺寸效應(yīng)現(xiàn)象有減輕作用，可以有效抑制混凝土柱的尺寸效應(yīng)現(xiàn)象。

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