李志黎 陳從召
摘要:為探討混凝土長(zhǎng)期收縮徐變作用對(duì)HRB600鋼筋高強(qiáng)混凝土柱軸壓性能的影響,利用ABAQUS有限元軟件建立1根不考慮長(zhǎng)期作用的柱模型試件與12根考慮長(zhǎng)期作用的柱模型試件,并進(jìn)行對(duì)比分析,初步探究了縱筋配筋率、混凝土強(qiáng)度和配箍率對(duì)構(gòu)件承載力和峰值應(yīng)變的影響。分析結(jié)果表明:考慮長(zhǎng)期作用后,構(gòu)件承載力減小6.5 %,峰值應(yīng)變減小15 %,隨著縱筋配筋率、混凝土強(qiáng)度、配箍率的增加,構(gòu)件承載力隨之增加,其中配箍率影響最小,進(jìn)一步在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中柱軸壓承載力計(jì)算公式基礎(chǔ)上,提出考慮長(zhǎng)期作用下HRB600鋼筋高強(qiáng)混凝土柱軸壓承載力修正計(jì)算式。
[作者簡(jiǎn)介]李志黎(1996—),男,在讀碩士,主要研究方向?yàn)榛炷两Y(jié)構(gòu);陳從召(1997—),男,在讀碩士,主要研究方向?yàn)榛炷两Y(jié)構(gòu)。
高強(qiáng)鋼筋高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)具有構(gòu)件截面尺寸小、增加建筑使用面積、節(jié)約材料的優(yōu)點(diǎn),目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)配置高強(qiáng)鋼筋高強(qiáng)混凝土構(gòu)件進(jìn)行了大量的研究[1-3],其中由于配制HRB600鋼筋構(gòu)件的相關(guān)基礎(chǔ)性試驗(yàn)研究不足,導(dǎo)致HRB600鋼筋難以在實(shí)際工程中推廣應(yīng)用 [4]。
長(zhǎng)期荷載作用下混凝土由于收縮、徐變效應(yīng)引起的應(yīng)力重分布對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力性能影響顯著,陳周熠等[5]進(jìn)行了鋼骨混凝土短柱在長(zhǎng)期軸向荷載作用下的試驗(yàn)研究,韓林海、王文達(dá)等[6-7]對(duì)鋼管混凝土柱在長(zhǎng)期荷載作用下的受力性能進(jìn)行了研究,而目前對(duì)于高強(qiáng)鋼筋高強(qiáng)混凝土構(gòu)件在長(zhǎng)期荷載作用下的受力性能研究較少。
通常將混凝土收縮效應(yīng)等效為溫度荷載進(jìn)行研究,并采用基于齡期調(diào)整有效模量法考慮混凝土的徐變作用[8-9],然而,通過(guò)對(duì)前人所作的工作以及一些文獻(xiàn)的研究分析可知,按齡期調(diào)整有效模量法中采用的折減的彈性模量與實(shí)際結(jié)構(gòu)承受持續(xù)荷載后彈性模量隨齡期增加會(huì)有所增加的現(xiàn)象不符[10],故本文結(jié)合文獻(xiàn)[10]提出的徐變效應(yīng)等效溫度理論,利用ABAQUS有限元分析軟件探究混凝土長(zhǎng)期收縮、徐變作用下HRB600鋼筋高強(qiáng)混凝土柱軸向受力性能。
1 混凝土長(zhǎng)期收縮徐變效應(yīng)
混凝土收縮可等效為均勻溫降作用,混凝土徐變效應(yīng)參考文獻(xiàn)[10]中徐變效應(yīng)等效溫度推導(dǎo),如式1所示:
式中:t0為混凝土加載齡期;σt0為t0時(shí)刻作用于混凝土的常應(yīng)力;t為混凝土計(jì)算齡期;Et0為t0時(shí)刻混凝土的彈性模量;φt,t0為加載齡期為t0,計(jì)算齡期為t的混凝土徐變系數(shù);E28為混凝土28天彈性模量;α為混凝土熱膨脹系數(shù)。
本文混凝土長(zhǎng)期收縮徐變效應(yīng)參考混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[11]中混凝土10年收縮應(yīng)變終極值ε與10年徐變系數(shù)終極值φ,如表1所示,其中,混凝土加載齡期為28天,熱膨脹系數(shù)為1×10-5/℃,設(shè)計(jì)軸壓比為0.4。
2 有限元分析
2.1 模型建立
基于有限元軟件ABAQUS對(duì)HRB600鋼筋高強(qiáng)混凝土柱進(jìn)行建模,有限元部件為混凝土柱、鋼筋籠、鋼板,尺寸設(shè)置與文獻(xiàn)[12]一致。
2.1.1 材料本構(gòu)關(guān)系
采用ABAQUS中損傷塑性模型進(jìn)行非線性計(jì)算,混凝土本構(gòu)關(guān)系參考過(guò)鎮(zhèn)海模型[13],鋼筋采用二折線模型,硬化段斜率為0.01,混凝土損傷因子參考文獻(xiàn)[14]中的推導(dǎo)計(jì)算。
2.1.2 相互作用與約束
不考慮鋼筋混凝土之間的粘結(jié)滑移,所有鋼筋內(nèi)置于混凝土中,定義參考點(diǎn)并與鋼板耦合,加載端鋼板與墊塊鋼板分別與混凝土柱上下端面綁定,模型底部為固定約束。
2.1.3 單元與網(wǎng)格
混凝土采用C3D8R單元,鋼筋采用T3D2單元,使用ABAQUS中結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分技術(shù),網(wǎng)格密度為60 mm。
2.1.4 荷載
采用單調(diào)位移加載方式,在頂部參考點(diǎn)施加豎向位移,當(dāng)考慮鋼筋混凝土柱長(zhǎng)期收縮徐變作用下的軸向受力性能時(shí),首先根據(jù)設(shè)計(jì)軸壓比在柱頂施加均布應(yīng)力,然后將收縮徐變作用等效為溫差效應(yīng),對(duì)混凝土柱進(jìn)行整體均勻降溫,最后進(jìn)行位移加載。
2.1.5 模型驗(yàn)證
選取文獻(xiàn)[12]中HRB600鋼筋高強(qiáng)混凝土柱(Z1)進(jìn)行模擬,對(duì)比分析構(gòu)件的力-位移曲線和破壞圖,如圖1所示,發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬力-位移曲線與試驗(yàn)曲線吻合較好,且混凝土受壓損傷云圖與試驗(yàn)柱損傷發(fā)展較為一致,可驗(yàn)證有限元模型的合理性。
2.2 對(duì)比分析
由GB 50010-2010(2015版)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱為《規(guī)范》)11.4.16[11]知,一級(jí)抗震等級(jí)的不同結(jié)構(gòu)體系軸壓比限值在0.65左右,且對(duì)于高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu),軸壓比限值宜減小0.1,故以下對(duì)比分析設(shè)計(jì)軸壓比為0.4時(shí)HRB600鋼筋高強(qiáng)混凝土柱長(zhǎng)期收縮徐變作用下的軸向受力性能,如圖2所示, 當(dāng)不考慮混凝土長(zhǎng)期收縮徐變作用時(shí),HRB600鋼筋高強(qiáng)混凝土柱極限承載力為29 231 kN,峰值應(yīng)變?yōu)?.358×10-3;考慮長(zhǎng)期收縮徐變后,混凝土柱極限承載力為27 333 kN,同比減小6.5 %,峰值應(yīng)變?yōu)?.005×10-3,同比減小15.0 %。
2.3 參數(shù)分析
在試驗(yàn)驗(yàn)證合理基礎(chǔ)上,初步探究縱筋配筋率、混凝土強(qiáng)度、配箍率對(duì)長(zhǎng)期作用下HRB600鋼筋高強(qiáng)混凝土柱軸壓性能影響,并建立12個(gè)有限元模型試件進(jìn)行分析,試件參數(shù)設(shè)置如表2所示。
2.3.1 縱筋配筋率
試件GQZ1~5的縱筋配筋率依次為1.27 %、2.05 %、2.68 %、3.39 %、4.19 %,不同配筋率對(duì)應(yīng)的柱力-位移曲線如圖3所示。隨著縱筋配筋率的增加,混凝土柱的極限承載力不斷增加,而峰值應(yīng)變變化不大,由表3知,峰值應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)差為20.4×10-6,縱筋配筋率對(duì)高強(qiáng)混凝土柱的增強(qiáng)主要體現(xiàn)在軸向受壓強(qiáng)度上,對(duì)其變形性能影響較小。
2.3.2 混凝土強(qiáng)度
選取C100、C80、C60、C40等級(jí)的混凝土材料進(jìn)行分析,為與試驗(yàn)結(jié)果保持一致,其軸心抗壓強(qiáng)度值選用試驗(yàn)研究中所用混凝土的實(shí)測(cè)強(qiáng)度值,即分別采用82.2 MPa、69.7 MPa、53.0 MPa、40.0MPa[12],試件GQZ1、試件GQZ6~8分別對(duì)應(yīng)不同混凝土強(qiáng)度等級(jí),其力-位移曲線如圖4所示。
混凝土強(qiáng)度增加,混凝土柱極限承載力與峰值應(yīng)變均顯著增加,由表3知,相比C40混凝土,C60、C80、C100混凝土柱承載力依次提高24.3 %、56.5 %、76.8 %,峰值應(yīng)變依次增加2.8 %、13.9 %、28.1 %。
2.3.3 箍筋配筋率
試件GQZ1、GQZ9~12的配箍率依次為0.57 %、0.76%、1.15 %、1.53 %、2.29 %,不同配箍率對(duì)應(yīng)的柱力-位移曲線如圖5所示。
隨著配箍率增加,混凝土柱極限承載力與峰值應(yīng)變均有增加,如表3所示,參數(shù)縱筋配筋率對(duì)應(yīng)的峰值荷載標(biāo)準(zhǔn)差為1 672 kN;參數(shù)砼強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的峰值荷載標(biāo)準(zhǔn)差為5 143 kN;參數(shù)配箍率對(duì)應(yīng)的峰值荷載標(biāo)準(zhǔn)差為424 kN,相比于縱筋配筋率和混凝土強(qiáng)度,配箍率對(duì)混凝土柱的承載力影響較小。
3 軸壓承載力計(jì)算
“規(guī)范”[11]規(guī)定鋼筋混凝土軸壓構(gòu)件正截面承載力計(jì)算式為:
當(dāng)不考慮混凝土長(zhǎng)期收縮徐變時(shí),戎賢、張建偉等通過(guò)試驗(yàn)與有限元軟件對(duì)HRB600鋼筋高強(qiáng)混凝土柱軸壓承載力進(jìn)行了研究,并驗(yàn)證了式(2)的適用性[5,13],當(dāng)考慮混凝土長(zhǎng)期收縮徐變時(shí),參數(shù)縱筋配筋率、混凝土強(qiáng)度、配箍率對(duì)HRB600鋼筋高強(qiáng)混凝土柱軸壓承載力影響趨勢(shì)與文獻(xiàn)(不考慮混凝土收縮徐變)[13]中各參數(shù)影響趨勢(shì)較為一致,即隨著縱筋配筋率、混凝土強(qiáng)度、配箍率的增加,構(gòu)件承載力隨之增加,且配箍率影響較小,故根據(jù)上文有無(wú)收縮徐變作用混凝土柱承載力對(duì)比分析,提出長(zhǎng)期作用下HRB600鋼筋高強(qiáng)混凝土柱軸壓承載力計(jì)算修正式(3):
式中:β為考慮長(zhǎng)期作用后構(gòu)件承載力折減系數(shù)。
基于以上理論分析,對(duì)試件GQZ1~5、試件GQZ7~12進(jìn)行無(wú)收縮徐變作用承載力分析,并與考慮混凝土收縮徐變作用柱承載力對(duì)比,如表4所示。
由表4知,隨著參數(shù)的變化,折減系數(shù)βi的標(biāo)準(zhǔn)差為0.014,分布較為集中,長(zhǎng)期作用后構(gòu)件承載力折減系數(shù)β可參考βi的期望值0.928,故式(3)可變化為:
式(4)中HRB600鋼筋屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)值參考文獻(xiàn)[4]取500 MPa,修正后的承載力理論計(jì)算值與有限元計(jì)算值對(duì)比如表5所示。
表5中F2/Nu均值為1.21,變異系數(shù)為0.016,可驗(yàn)證考慮長(zhǎng)期作用的HRB600鋼筋高強(qiáng)混凝土柱軸壓承載力修正公式的適用性。
4 結(jié) 論
(1)考慮混凝土長(zhǎng)期收縮徐變作用后, HRB600鋼筋高強(qiáng)混凝土柱軸壓承載力與峰值應(yīng)變均有減小。
(2)縱筋配筋率、混凝土強(qiáng)度、配箍率越大,長(zhǎng)期作用下HRB600鋼筋高強(qiáng)混凝土柱承載力越大,相比于縱筋配筋率和混凝土強(qiáng)度,配箍率對(duì)構(gòu)件的承載力影響較小。
(3)提出考慮長(zhǎng)期作用下HRB600鋼筋高強(qiáng)混凝土柱軸壓承載力修正計(jì)算式,試驗(yàn)與理論比期望值為1.21,變異系數(shù)為0.016,該式具有足夠的安全儲(chǔ)備。
參考文獻(xiàn)
[1] 羅紹華. 600MPa級(jí)鋼筋混凝土偏心受壓構(gòu)件受力性能試驗(yàn)研究[D].南京:東南大學(xué), 2013.
[2] Sener S , Barr B I G , Abusiaf H F . Size Effect in Axially Loaded Reinforced Concrete Columns[J]. Journal of structural engineering, 2004, 130(4): 662 - 670.
[3] Cusson D , Paultre P . High-Strength Concrete Columns Confined by Rectangular Ties[J]. Journal of Structural Engineering, 1998, 120(3):783-804.
[4] 戎賢, 申成成, 張健新. HRB600鋼筋混凝土短柱軸壓性能試驗(yàn)研究[J].混凝土,2020(2):28-32.
[5] 陳周熠, 代堂珍, 雷鷹,等.鋼骨混凝土短柱在長(zhǎng)期軸向荷載作用下的試驗(yàn)研究[J].工程力學(xué), 2015,32(8):82-87.
[6] 韓林海,楊有福,劉威. 長(zhǎng)期荷載作用對(duì)矩形鋼管混凝土軸心受壓柱力學(xué)性能的影響研究[J]. 土木工程學(xué)報(bào),2004,37(3):12-18.
[7] 王文達(dá), 鄒愛(ài)華, 張鵬鵬. 長(zhǎng)期荷載作用下矩形鋼管混凝土軸壓短柱力學(xué)性能[J].公路交通科技, 2011, 28(7):73-78.
[8] 萬(wàn)小妹. 超長(zhǎng)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)溫度(收縮)應(yīng)力非線性分析與設(shè)計(jì)對(duì)策研究[D].南昌:南昌大學(xué), 2011.
[9] 吳超. 間接作用下超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)縫設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 南京:東南大學(xué),2018.
[10] 趙立勇. 基于等效溫度法的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的徐變效應(yīng)[D].北京:北京交通大學(xué),2013.
[11] 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范: GB50010-2010[S].北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2010.
[12] 張建偉,夏冬瑞,喬崎云,姜立偉.HRB600級(jí)鋼筋高強(qiáng)混凝土柱的軸心受壓性能[J].工業(yè)建筑,2017,47(11):77-83.
[13] 過(guò)鎮(zhèn)海.混凝土的強(qiáng)度和本構(gòu)關(guān)系:原理與應(yīng)用[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2004.
[14] 張戰(zhàn)廷,劉宇鋒.ABAQUS中的混凝土塑性損傷模型[J].建筑結(jié)構(gòu),2011,41(S2):229-231.