鋼板網(wǎng)加固大尺寸RC短柱受力性能有限元分析

賈 磊，解詠平，楊曉宇

河北地質(zhì)大學(xué) 勘查技術(shù)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050031

隨著高層建筑的增多，大尺寸鋼筋混凝土短柱也被頻繁的應(yīng)用[1]。大量的震害表明，框架短柱的剪切破壞現(xiàn)象比較嚴(yán)重[2-4]，有研究指出，隨著截面尺寸的增加，短柱的承載力和延性明顯降低[5-7]。為了提高短柱的抗震性能，論文提出了鋼板網(wǎng)加固鋼筋混凝土的方法，并通過有限元軟件ABAQUS對其進(jìn)行了受力性能分析，以研究鋼板網(wǎng)對大尺寸鋼筋混凝土短柱的加固效果。

一、 試件設(shè)計

本次共設(shè)計了3個剪跨比為2的試件，截面尺寸為500 mm×500 mm；軸壓比為0.6；混凝土強度等級取C60；縱筋采用HRB400級鋼筋；箍筋采用HPB300級鋼筋；鋼板網(wǎng)的厚度取兩種類型1 mm和2 mm。試件配筋為圖1的形式，其它設(shè)計參數(shù)見表1所示，c為混凝土保護層厚度。

表1 試件的主要設(shè)計參數(shù)

二、有限元模型的建立

（一）單元分析

混凝土單元采用二階縮減積分三維實體單元C3D8R，鋼筋單元采用T3D2桁架單元（Truss Element）。

（二）材料的本構(gòu)模型[8]

混凝土受拉及受壓時的本構(gòu)關(guān)系見圖1。

圖1 混凝土的本構(gòu)關(guān)系

鋼筋的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線采用二折線的彈性強化模型，鋼筋屈服后應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系被簡化為較平緩的斜直線，斜率取Es=0.01Es，截面邊長為300 mm柱的鋼筋本構(gòu)模型見圖2所示。鋼板網(wǎng)楊氏模量20000 N/mm2，泊松比0.3。鋼板網(wǎng)樣式見圖3，規(guī)格尺寸見表1。

圖2 鋼筋的本構(gòu)關(guān)系

圖3 鋼板網(wǎng)的樣式圖

（三） 模型的建立與求解

試件采用全模型建模，邊界條件及網(wǎng)格劃分見圖4。加載過程分為兩步，第一步在柱頂施加恒定的軸向壓力，第二步在水平方向施加水平荷載，并采用位控加載。

圖4 有限元模型

三、模擬結(jié)果與分析

（一）破壞狀態(tài)分析

試件的等效塑性應(yīng)變云圖如圖5所示。從應(yīng)變云圖中可以看出，鋼板網(wǎng)加固高強混凝土短柱的損傷程度與未被鋼板網(wǎng)加固的高強混凝土短柱相比，被加固部位混凝土的損傷程度減弱。

圖5 等效塑性應(yīng)變云圖與試件破壞狀態(tài)

（二） 荷載-位移曲線分析

圖6給出了鋼板網(wǎng)加固混凝土短柱試件在單調(diào)加載下的荷載—位移曲線。由曲線可知，鋼板網(wǎng)加固的混凝土短柱的屈服荷載和峰值荷載均大于未被鋼板網(wǎng)加固的混凝土柱；試件的峰值荷載有較大的提高，極限變形也有相應(yīng)的增長。

（三）鋼筋受力分析

圖7為鋼筋應(yīng)力云圖。從鋼筋應(yīng)力云圖可以看出，鋼板網(wǎng)高強混凝土試件在單調(diào)荷載作用下，箍筋發(fā)生屈服，隨著荷載的不斷增加，鋼板網(wǎng)最終被破壞。鋼板網(wǎng)的加固在一定程度上減少了箍筋的屈服，對保證高強混凝土柱延性具有有利作用，使高強混凝土短柱結(jié)構(gòu)性增強。

圖7 縱筋、箍筋、鋼板網(wǎng)應(yīng)力云圖

四、結(jié)論

通過建立有限元模型對3個截面尺寸為500 mm×500 mm的鋼筋混凝土短柱進(jìn)行了單調(diào)加載分析，結(jié)果表明：

1. 同大尺寸混凝土短柱的模型相比，鋼板網(wǎng)加固混凝土短柱的承載能力高于同條件的混凝土短柱。其他參數(shù)不變的情況下，增加鋼板網(wǎng)約束不僅能提高試件的最大承載力，也能增加試件的極限位移及延性。

2. 隨著鋼板網(wǎng)厚度的增大，抗剪承載力和位移延性系數(shù)不斷增加。

[1] 周小真, 姜維山. 高軸壓作用下鋼筋混凝土短柱杭震性能的試驗研究[J]. 西安冶金建筑學(xué)院學(xué)報，1985, 2: 103-119.

[2] 錢國芳, 童岳生, 白國良, 等. 配置不同形式箍筋的鋼筋混凝土短柱抗震性能試驗研究[J]. 西安冶金建筑學(xué)院學(xué)報, 1991,23(3): 248-257.

[3] 張英華, 黃承逵, 趙國藩. 采用X形配筋改善短柱抗震性能的研究[J]. 大連理工大學(xué)學(xué)報，1998，38(3): 332-336.

[4] TANAKAY，KANEKOY，YASHIROH. Shear failure of steel fiber reinforced concrete (SFRC) short column[J]. Transaction of the Japan ConstructionInstitute, 1985, 6: 403-408.

[5] 解詠平，李振寶，杜修力，等. 鋼筋混凝土柱彎剪性能尺寸效應(yīng)非線性有限元分析[J]. 建筑結(jié)構(gòu), 2015, 45(8): 46-49.

[6] PRIES TLEYMJN, VERMA R, XIAO Y. Seismic shear strength of reinforced concrete columns[J]. Journal of structural engineering, 1994, 120(8): 2310-2328.

[7] 李振寶, 解詠平, 杜修力, 等. 鋼筋混凝土短柱受剪性能尺寸效應(yīng)研究[J]. 土木工程學(xué)報，2014, 47(6): 26-33.