基于剛度退化的鋼筋混凝土柱破壞的研究

李 博,聶高志

(河南大學土木建筑學院,河南 開封 475004)

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)是我國建筑結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)形式之一,框架柱構(gòu)件作為現(xiàn)代建筑主要的承重構(gòu)件,在工程抗震中扮演著重要的角色。我國現(xiàn)階段的“三水準兩階段”基于承載力的抗震設(shè)計理論[1],對鋼筋混凝土構(gòu)件的變形性未能給出定量的指標,從某種意義上說“三水準兩階段”抗震設(shè)計理論已經(jīng)有了基于性能設(shè)計的雛形[2]。但其與目前國際上先進基于性能的抗震設(shè)計方法還有一定的差距[3]。本文提出了以描述構(gòu)件破壞的狀態(tài)且能適應(yīng)現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)的抗震需求基于性能設(shè)計的抗震方法。并分析了鋼筋混凝土框架柱構(gòu)件剛度退化的過程,研究構(gòu)件在不同荷載條件下的變形性能指標,驗證其能否達到一定的機理性能要求,以期獲得鋼筋混凝土柱構(gòu)件在不同地震水準下的性能指標。

1 試驗概述

1.1 鋼筋混凝土框架柱構(gòu)件的設(shè)計

參照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[4],試驗制作了6根框架柱構(gòu)件,所采用混凝土構(gòu)件強度均為C30等級,根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標準》進行標準條件下養(yǎng)護制備[5]構(gòu)件混凝土及所用鋼筋詳細參數(shù)如表1所示屈服后控制每級位移循環(huán)3次。

表1 鋼筋基本參數(shù)

1.2 變量控制及加載方式

取Z1、Z2、Z3、Z4的鋼筋混凝土柱構(gòu)件,控制體積配箍率與箍筋直徑為變參數(shù),C1、C2、的鋼筋混凝土構(gòu)件采用不同大小豎向荷載以其軸壓比為變參數(shù),試驗加載時首先采用水平荷載分級加載至鋼筋混凝土柱構(gòu)件達到屈服荷載,隨后采用位移加載的形式,控制每級位移加載為構(gòu)件屈服時位移的1Δy、2Δy、3Δy,構(gòu)件達到屈服后控制每級位移循環(huán)3次[6]。

2 本構(gòu)關(guān)系及模型參數(shù)設(shè)置

基于應(yīng)力空間和基于應(yīng)變空間的兩類混凝土的本構(gòu)模型,彈塑性損傷本構(gòu)關(guān)系可以較為準確的描述構(gòu)件材料的非線性相互作用,故本文采用軟件程序中提供的塑性損傷模型[7],鋼筋采用《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》推薦的雙折線模型。

本文采用ABAQUS有限元軟件對鋼筋混凝土梁柱試件進行模擬,混凝土構(gòu)件以三維實體單元C3D8R建立,內(nèi)部箍筋和縱向鋼筋采用T3D2行架單元進行分析,最后通過有限元軟件導(dǎo)出應(yīng)力-應(yīng)變云圖與試驗結(jié)果對比。在模型建立時為確保擬合結(jié)果與試驗結(jié)果的準確性,網(wǎng)格劃分精度以50mm為一個尺寸單位,混凝土柱構(gòu)件模型建立與網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 鋼筋混凝土構(gòu)件網(wǎng)格劃分

在Abaqus建立模型時,混凝土構(gòu)件模型材料屬性泊松比設(shè)置為0.2,所采用鋼筋材料屬性的泊松比設(shè)為0.3膨脹角為30°混凝土框架柱構(gòu)件地梁的底部與基礎(chǔ)接觸部分設(shè)置為固端約束,用*ENCASTRE使固定端沿任意方向的位移和轉(zhuǎn)角均被約束[8]。

3 試驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

3.1 位移延性

通過建立有限元仿真模型得到混凝土構(gòu)件應(yīng)力云圖如圖2所示,通過整理試驗數(shù)據(jù),將構(gòu)件荷載循環(huán)最大值點相連接,取其外包線作為構(gòu)件的包絡(luò)線,分析構(gòu)件在不同加載階段時的抗震性能[9]。

根據(jù)圖3的曲線,構(gòu)件軸壓比越大則構(gòu)件峰值越大,鋼筋混凝土構(gòu)件的最大峰值荷載與其軸壓比兩者呈正相關(guān),曲線中斜率的絕對值越大則表示構(gòu)件的屈服時間越短,達到極限荷載時的過程越快,且延性越差的構(gòu)件其對應(yīng)的峰值位移也越小[10]。具有相同配箍率的鋼筋混凝土構(gòu)件,箍筋間距越大構(gòu)件的延性越低。

3.2 損傷分析與剛度退化

混凝土試驗構(gòu)件剛度的退化是由加載過程中構(gòu)件的損傷累積和構(gòu)件位移的幅值增大引起的,隨著加載次數(shù)增多,構(gòu)件的抗疲勞性能呈下降趨勢,從而導(dǎo)致混凝土構(gòu)件的割線剛度不斷下降,圖4列出了C1、C2與Z1、Z2、Z3、Z4兩組構(gòu)件的割線剛度隨加載次數(shù)變化的組合曲線。

圖4 剛度退化關(guān)系圖

3.3 試件的能量耗散能力對比與分析

鋼筋混凝土試件受地震荷載作用時結(jié)構(gòu)整體會吸收能量,構(gòu)件在達到屈服之前近似為彈性體,此階段吸收的能量會以彈性勢能的形式完全釋放,構(gòu)件屈服后部分能量通過阻尼消能、塑性吸能將結(jié)構(gòu)內(nèi)部能量進行耗散,本文根據(jù)《建筑抗震試驗方法規(guī)范(JGJ101-96)》推薦的公式進行計算,最終得到能量耗散系數(shù)及各試件耗能指標如圖5所示。

圖5 能量耗散系數(shù)變化曲線

由圖5中可得,實驗所用的鋼筋混凝土構(gòu)件耗能系數(shù)出現(xiàn)兩種變化：一種為隨加載位移的增大而變緩,一種為隨加載位移的增大而減小的情況。其中上升段過程出現(xiàn)前期速率較大,而后有平緩的階段。鋼筋混凝土構(gòu)件在達到屈服時,其與地梁相接的底部區(qū)域彈塑性變形隨加載位移的增大而增大,在核心區(qū)混凝土材料破壞后,其內(nèi)部鋼筋起到抵抗承載力作用,故構(gòu)件位移出現(xiàn)緩慢增大趨勢,由于鋼筋材料屈服強度較混凝土材料大,在加載后期,構(gòu)件整體的彈性變形所占百分比增大,耗能系數(shù)有降低趨勢。

4 結(jié)論

(1)隨軸壓比的降低構(gòu)件的延性有所增大,而構(gòu)件屈服點和極限承載力大小隨之減小,鋼筋混凝土構(gòu)件延性隨試驗的軸壓比增大略有降低,且增大配箍率也能有效改善構(gòu)件的延性,隨著軸壓比的增大構(gòu)件的屈服荷載、峰值荷載均有所增加。

(2)鋼筋混凝土柱構(gòu)件受地震荷載作用的初期剛度退化較明顯,構(gòu)件的軸壓比越大則其割線剛度也較大,構(gòu)件割線剛度隨荷載作用前期衰減幅度較快,在加載后期試件整體屈服,剛度衰減速率逐漸變緩。

(3)構(gòu)件在破壞初期處于未完全屈服狀態(tài),受累積損傷的影響不顯著,而構(gòu)件的隨荷載的作用產(chǎn)生的彈塑性變形會加大對試件的損傷程度；構(gòu)件隨往復(fù)荷載作用時間增長,破壞效果顯著增大,位移量增加,累計耗能對構(gòu)件的損傷起主導(dǎo)作用。