空腹箱形配斜拉鋼筋SRC柱壓彎剪扭抗震性能研究*

李 帥

（陜西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 土木工程學(xué)院，陜西 寶雞 721001）

鋼骨混凝土（簡稱SRC）柱由于具有承載力比混凝土結(jié)構(gòu)高、抗震性能比混凝土結(jié)構(gòu)好、防火性能比鋼結(jié)構(gòu)好等優(yōu)點(diǎn)，所以在重要及高大的建筑結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用［1-2］。然而在地震作用下，平面布置不規(guī)則或剛度突變結(jié)構(gòu)的SRC柱不僅會承受壓彎剪的共同作用，往往還可能受到扭矩作用的影響［3-5］。袁書強(qiáng)等［6］以扭彎比為分析參數(shù)分析了扭彎比對SRC柱受力及變形性能的影響，結(jié)果表明彎扭復(fù)合作用降低了SRC柱的抗彎、抗扭承載能力。為改善SRC柱在壓彎剪扭下的抗震性能，許協(xié)隆等［7］在空腹箱形SRC柱中段設(shè)計(jì)了斜拉鋼筋，對壓彎剪扭狀態(tài)下配斜拉鋼筋的構(gòu)件進(jìn)行的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明配置斜拉鋼筋可以有效提高構(gòu)件的抗扭剛度及極限承載力。

為深入研究壓彎剪扭作用下配斜拉鋼筋的空腹箱形SRC柱的抗震性能，本論述利用有限元軟件ABAQUS建立了其有限元分析模型，以斜拉鋼筋直徑、扭彎比及軸壓比等作為分析參數(shù)，對不同參數(shù)系列的模型進(jìn)行了往復(fù)加載，研究不同參數(shù)變化對空腹箱形配斜拉鋼筋SRC柱承載力、延性性能、剛度退化及耗能能力的影響，從而為抗震設(shè)計(jì)提供參考。

1 有限元模型

1.1 基本模型

基本模型幾何尺寸參考文獻(xiàn)［7］中的試驗(yàn)試件TMP-3，模型上下兩端450 mm范圍均為箍筋加密區(qū)，箍筋非加密段在鋼筋籠內(nèi)側(cè)綁扎直徑為8 mm的斜拉鋼筋。所有鋼筋都采用HRB400級鋼筋，內(nèi)部箱形鋼管規(guī)格為□150×4.5，屈服強(qiáng)度為345 MPa，混凝土等級為C60，軸壓比為0.3，扭彎為0.25。

有限元建模中混凝土采用塑性損傷模型，選用約束混凝土模型來模擬其單軸壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系［8］。鋼管及鋼筋選用雙折線隨動強(qiáng)化模型，強(qiáng)化段的彈模取0.01Es［9］。內(nèi)部鋼管與混凝土的法向接觸以硬接觸來模擬，切向接觸則應(yīng)用庫倫摩擦模型模擬，界面摩擦系數(shù)取 0.25［10］。應(yīng)用“Embeded”將整個(gè)鋼筋籠內(nèi)嵌到混凝土之中，不考慮二者的滑移［11］。加載方式參考文獻(xiàn)［7］試驗(yàn)，首先在柱子頂端加載梁的上部施加豎向荷載，其次在加載梁側(cè)面施加水平偏心荷載，水平偏心荷載以位移進(jìn)行控制，約束柱子下端混凝土和鋼管所有方向的位移和轉(zhuǎn)角，模擬嵌固結(jié)邊界條件，有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元分析模型

1.2 參數(shù)設(shè)計(jì)

在基本模型的基礎(chǔ)上，本論述重點(diǎn)研究了斜拉鋼筋直徑、扭彎比和軸壓比3個(gè)參數(shù)對配斜拉鋼筋空腹箱形SRC柱壓彎剪扭抗震性能的影響。模型具體參數(shù)見表1所列。

表1 模型參數(shù)

2 參數(shù)分析

根據(jù)參數(shù)設(shè)計(jì)，對不同參數(shù)系列的模型進(jìn)行往復(fù)加載，研究參數(shù)變化對空腹箱形配斜拉鋼筋SRC柱在壓彎剪扭作用下的承載力、延性性能、剛度退化及耗能能力。

2.1 骨架曲線

圖2為各參數(shù)系列空腹箱形配斜拉鋼筋SRC柱模型的荷載-位移骨架曲線。由圖2可知，直徑系列模型的受力過程類似，骨架曲線彈性階段基本重合，增大斜拉鋼筋的直徑，有益于提高模型的承載力，但當(dāng)斜拉鋼筋直徑增大到8 mm后，繼續(xù)增大斜拉鋼筋直徑對承載力的提高作用逐漸減弱；扭彎比增加，模型所受的扭矩增大，此時(shí)其承載力、初始剛度均會明顯減小，骨架曲線下降段越陡峭，說明模型承受的扭矩越大，破壞速度越快，抗震能力越差；增大軸壓比，可以提高模型的峰值荷載，但不利于模型的變形性能，當(dāng)軸壓比從0.5增大到0.7時(shí)，峰值后骨架曲線產(chǎn)生陡降，延性顯著降低。屈服點(diǎn)由能量等效法確定，極限點(diǎn)取峰值荷載的85%對應(yīng)的點(diǎn)［12］。

有限元計(jì)算各模型的特征點(diǎn)見表2所列。由表2可知，相對于未配斜拉鋼筋的空腹箱形SRC柱模型，配斜拉鋼筋的模型，由于斜拉鋼筋對混凝土具有保護(hù)作用，且對內(nèi)部箱型鋼管及箍筋受力形成了有效分擔(dān)，減慢了模型的承載力退化，未配斜拉鋼筋模型的延性僅為3.07，而配置直徑為6 mm斜拉鋼筋模型的延性為5.11，說明配置斜拉鋼筋可以明顯改善模型的延性性能；增加斜拉鋼筋的直徑，可以提高模型的屈服荷載和峰值荷載，但是提高幅度有限，配置直徑為6 mm斜拉鋼筋模型的峰值荷載為147.8 kN，而配置直徑達(dá)到10 mm斜拉鋼筋模型的峰值荷載為154.8 kN；提高扭彎比可以明顯降低模型的屈服荷載、屈服位移及延性，當(dāng)扭彎比從0增加到0.5時(shí)，屈服荷載、峰值荷載值分別降低了55.0%、53.6%，位移延性系數(shù)則從5.98降低到了3.90，表明在扭矩的存在對空腹箱形SRC柱的抗震性能影響較大，需要在設(shè)計(jì)時(shí)加以考慮；增大軸壓比，雖可以提高峰值點(diǎn)的荷載值，但卻使屈服位移及位移延性系數(shù)均出現(xiàn)明顯降低，變形能力下降，當(dāng)軸壓比從0.3增加到0.7時(shí)，模型的屈服荷載提高了15.2%，屈服位移及極限位移系數(shù)分別降低了26.7%、38.1%。

圖2 模型骨架曲線

表2 有限元模型特征點(diǎn)

2.2 剛度退化

抗側(cè)剛度即是結(jié)構(gòu)產(chǎn)生單位位移所需要的荷載值，本文以割線剛度來描述空腹箱形配斜拉鋼筋SRC柱模型的剛度退化，各參數(shù)系列模型的剛度退化曲線如圖3所示。由圖3可知，增大斜拉鋼筋直徑對模型的初始剛度影響較小，開始加載時(shí)各模型剛度退化曲線基本重合，隨著加載位移的增加，斜拉鋼筋直徑越小的模型，剛度退化越快，當(dāng)加載位移達(dá)到55.5 mm時(shí)，未配斜拉鋼筋模型的剛度僅為2.15 kN·mm-1，而配置直徑為10 mm斜拉鋼筋模型的剛度達(dá)到2.67 kN·mm-1；當(dāng)扭彎比從0增加到0.5時(shí)，初始剛度降低了51.7%，可見扭彎比越大，模型的初始剛度越小，隨著加載位移的增大，扭彎比較大的模型早期剛度退化明顯較快，后期逐漸減慢，不同模型的剛度差值減?。惠S壓比越大，模型的初始剛度越大，當(dāng)加載位移達(dá)到74 mm時(shí)，軸壓比為0.3的模型剛度為1.82 kN·mm-1，而軸壓比為0.7的模型剛度為1.80 kN·mm-1，說明軸壓比增大，有利于提高模型的初始剛度，但會造成模型的剛度退化加快。

2.3 耗能能力

本論述采用滯回環(huán)耗能E來衡量不同模型的耗能能力。圖4為各參數(shù)系列模型的滯回環(huán)面積曲線。由圖可知，隨著位移的增加，各模型的滯回環(huán)面積均出現(xiàn)增長，耗能增加。增大斜拉鋼筋直徑，滯回環(huán)的面積有所增大，表明增大斜拉鋼筋直徑有益于提高模型的耗能能力；扭彎比對模型的耗能能力影響較大，當(dāng)加載位移為74 mm時(shí)，扭彎比為0.5的模型滯回環(huán)面積為7.6 kN·m，而扭彎比為0的模型滯回環(huán)面積為29.5 kN·m，可見隨著扭彎比的增大，模型的耗能能力明顯降低；當(dāng)加載位移較小時(shí)，軸壓比的變化對模型的滯回環(huán)面積影響較小，當(dāng)加載位移增加到55.5 mm后，軸壓比越大的模型，滯回環(huán)面積越小，耗能能力越差。

圖3 剛度退化曲線

圖4 滯回環(huán)面積曲線

3 結(jié)論

（1）增大斜拉鋼筋的直徑，有益于提高空腹箱形配斜拉鋼筋SRC柱的承載力、剛度及耗能能力，但當(dāng)斜拉鋼筋直徑增大到8mm后，繼續(xù)增大斜拉鋼筋直徑對各項(xiàng)指標(biāo)的提高作用逐漸減弱。

（2）當(dāng)扭彎比提高時(shí)，配斜拉鋼筋空腹箱形SRC柱模型的承載力、位移延性系數(shù)、剛度、滯回環(huán)面積等均顯著降低，抗震能力明顯下降，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)控制扭彎比。

（3）增大軸壓比，可以提高配斜拉鋼筋空腹箱形SRC柱模型的峰值荷載，但會使模型的變形能力減弱。軸壓比越大，加載后期的滯回環(huán)的面積越小，耗能能力越差。