配置HRB500鋼筋的混凝土T形柱抗震性能有限元分析

曲輝　(天津市成套工程管理有限公司，天津 300171)

?

配置HRB500鋼筋的混凝土T形柱抗震性能有限元分析

曲輝(天津市成套工程管理有限公司，天津 300171)

[摘要]運用有限元軟件ANSYS對4根配置HRB500鋼筋的混凝土T形柱試件進行了低周往復荷載試驗，對比分析了試件的承載能力、滯回特征和剛度退化等抗震性能指標，研究了軸壓比和配箍特征值對高強鋼筋混凝土T形柱抗震性能的影響。研究表明，配置HRB500鋼筋的T形截面混凝土異形柱具有較高的承載能力，增大軸壓比，可以有效減小試件正負向承載性能的不對稱性，提高構件的承載力和初始抗側移剛度；增大配箍率，對構件的極限抗剪承載力有一定的提高作用，可改善試件的滯回特性，剛度退化更為平緩，研究結果可為配置高強鋼筋的混凝土異形柱結構設計提供參考。

[關鍵詞]異形柱；HRB500鋼筋；低周往復荷載；抗震性能

近年來，隨著住宅規模的不斷擴大，鋼筋混凝土異形柱結構體系以其良好的經濟、社會及環境綜合效益，在國內外逐步得到發展[1～4]，以低強度鋼筋、普通混凝土作為鋼筋混凝土結構主材的現狀制約了了異形柱結構體系的進一步推廣應用。新修訂的《混凝土結構設計規范》(GB50010-2010)在鋼筋的品種上作了重要調整[5]，引入了強度為HRB500的熱軋帶肋鋼筋，并推廣具有較好的延性、可焊性、機械連接性能及施工適應性的HRB500高強熱軋帶肋鋼筋作為縱向受力的主導鋼筋。然而，現行的《混凝土異形柱結構技術規程》(JGJ149-2006)尚未明確HRB500鋼筋在混凝土異形柱結構體系中的適用性，為盡快推廣HRB500鋼筋在混凝土異形柱結構中的應用，需對其性能進行深入研究，形成完整的技術數據，為《規程》的修訂提供技術參考。

1有限元模型與變量設計

1.1有限元模型

作為有限元分析軟件之一的大型軟件，ANSYS有其獨有的特點和廣泛用途，它擁有豐富和完善的單元庫、材料模型庫和求解器,能高效的求解各類結構的靜力、動力、振動、線性和非線性、模態分析、諧波響應分析、瞬態動力分析、斷裂力學等問題[6]。模擬模型中混凝土和鋼筋分別采用Solid 65單元和Link 8單元，混凝土采用德國RüSCH建議的混凝土本構模型，模型的上升段為二次拋物線，下降段為水平直線，公式如下：

當ε≦ε0時:

(1)

當ε0≦ε≦εu時:

σ=fc

(2)

式中，fc為混凝土峰值應力(棱柱體極限抗壓強度)，MPa；ε0為混凝土峰值應變，可取ε0=0.002；εu為極限壓應變，取εu=0.0035。

鋼筋采用理想彈塑性本構關系，采用實體建模方式，首先建立混凝土的幾何塊體模型，用工作面切割塊體生成保護層，將工作面切割生成線定義為縱筋和箍筋，幾何模型建立之后，對已經建立的模型采用進行網格劃分，網格劃分之后就生成了有限元模型[7]。在有限元模型中，鋼筋和混凝土通過共用節點實現共同工作。

1.2變量設計

筆者分析的變量有軸壓比和配箍特征值，其中配箍特征值用配箍間距來表征[8]，共進行4組數值模擬模型，模型的各參數如表1所示。

表1　模型參數

2抗震性能分析

2.1承載能力分析

結構構件的承載能力是低周反復試驗的一項重要指標，也是衡量其抗震性能的重要依據[9]。計算時屈服荷載取受拉主筋屈服時相應的荷載值，極限荷載取達到最大承載能力時的水平荷載值，試件各主要階段承載力計算值如表2所示。

表2　試件各主要階段承載力計算值

由于T形截面柱正負向性能的迥異，導致了正負向荷載的非對稱性[10]。對比配箍間距相同而軸壓比不同的3組試件CTX90、CTD90-1、CTD90-2，可以看出軸壓比對試件承載性能有2方面作用：一方面，軸壓比對減小正負向荷載差異有顯著作用，表現為正向較負向屈服荷載的平均提高率由62%下降為40%和22.8%，極限荷載的平均提高率由29%下降為16.6%和0.2%；另一方面，對比CTX90、CTD90-1和CTD90-2的屈服荷載和極限荷載均有不同程度的提高，提高軸壓比可以提高試件承載能力。

對比軸壓比相同、配箍率不同的2組試件CTX90和CTX60，試件CTX60較CTX90屈服荷載均值及極限荷載均值分別提高9%、2.3%，表明箍筋可以延緩構件斜裂縫出現，提高構件的抗剪能力，但提高作用并不顯著。

2.2滯回性能分析

試件在反復荷載作用下，反復荷載與相應位移之間的關系構成滯回環，多次循環加載后所形成一系列滯回環構成滯回曲線。滯回曲線是試件在周期反復荷載作用下力與位移的關系曲線，綜合反映了構件的強度、剛度、延性及耗能等抗震性能，是構件抗震性能的綜合體現。滯回環對角線的斜率反映構件的總體剛度，滯回環包圍的面積則是荷載正反交變一周時構件吸收的能量，表征構件的耗能能力。滯回環通常可以歸納為梭形、弓形、反S形3種基本形態，所反映的耗能能力依次減弱。梭形常出現在鋼筋錨固可靠的壓彎構件中；弓形反映了少量的鋼筋滑移及裂縫張開閉合對構件剛度的影響，有明顯的捏攏效應；反S形反映了剪切變形及縱筋的粘結滑移影響，耗能能力較差。各試件的水平荷載—柱端位移滯回曲線如圖1所示。

圖1　各試件水平荷載-柱頂位移滯回曲線

總體來看，在循環加載初期，試件處于彈性階段，水平荷載與柱端位移基本呈比例變化，滯回曲線基本成直線，卸荷及變形恢復都比較充分；試件屈服后，加載剛度與卸載剛度逐漸降低，并隨著位移幅值的增大及循環次數的增多，退化現象愈加明顯。

試件CTX60的滯回曲線較CTX90的滯回曲線更為飽滿，試件CTX60的變形也較大。由此可見，配箍率對異形柱的滯回耗能影響較大，加密箍筋在一定程度上可以提高構件的延性。

由于T形截面沿加載方向的不對稱性，滯回曲線一般也不對稱，對比CTX90，隨著軸壓比的增大，CTD90-1和CTD90-2的負向承載力不斷提高，而正向承載力提高不大，因此滯回曲線越來越趨于對稱。

2.3剛度退化

反復荷載作用下，隨著加載循環和位移幅值的增大，在裂縫開展和塑性變形不斷發展過程中，試件的內部損傷也逐步累積，造成構件強度逐漸降低和變形加大的現象，這種現象稱為剛度退化[11]。剛度退化是低周反復荷載作用下試件抗震能力退化的一個重要原因，剛度分析中通常用等效剛度來表征構件的剛度。等效剛度是指本次循環的荷載最大值點(即骨架點)與坐標原點連線的斜率，又稱為割線剛度，可根據式(3)來計算:

(3)

式中，p為第i次循環滯回曲線峰值點的荷載值，kN；Δ為第i次循環滯回曲線峰值點對應的位移值,mm。

各個試件的剛度隨位移變化的關系曲線如圖2所示。由圖2可以看出，試件的剛度退化曲線表現出不對稱現象，主要表現為正負向初始側移剛度的不對稱，其次為剛度衰減速率的不對稱。各試件的剛度退化過程類似，試件屈服前剛度退化較快，隨著加載進行，剛度退化逐漸變緩，后期剛度逐漸穩定。

圖2　各試件剛度-位移對比

加載初期，試件的正反向加載產生的剛度退化曲線不對稱，正向加載的初始剛度小于反向加載時的初始剛度，主要原因是初始加載造成反向的剛度先損傷，損傷累積導致剛度不對稱，同時鋼材的包辛格效應也導致剛度退化的不對稱。但隨著加載的進行，結構的正反向剛度逐漸接近。

軸壓比大的試件，試件的初始剛度也較大，但剛度退化較快，在加載后期，相同位移下軸壓比大的試件剛度較大表明適當增大軸壓比可以提高構件初始抗側移剛度，而軸壓比較小的試件后期抗震性能更加穩定，配箍特征值對剛度退化影響效果不顯著。

3結論

通過對4個配置HRB500鋼筋的混凝土T形柱試件進行低周往復荷載下的有限元分析，由計算所得的各項數據進行歸納總結，對試件在低周反復荷載作用下的承載能力、滯回性能和剛度退化等抗震性能進行了深入地研究和分析，研究了配置HRB500鋼筋的T形截面混凝土異形柱的抗震性能，得出如下結論：

1)T形截面柱由于沿加載方向截面的不規則和鋼筋分布的不均勻，在反復荷載作用下，正負向的性能表現出顯著地差異。

2)提高軸壓比可以有效減小試件正負向承載性能的不對稱性，在一定程度上提高構件的極限承載力；加密箍筋對構件的極限抗剪承載力有一定的提高作用，但影響并不顯著。建議工程實際中采用HRB500作箍筋時可適當放寬加密區箍筋的限制，以提高施工質量，獲取更好的經濟效益。

3)各試件滯回曲線呈現出不對稱性，翼緣受壓時表現出良好的耗能能力，曲線呈較為飽滿的梭形，剛度強度退化平緩；腹板受壓時，滯回曲線由梭形向弓形轉化，荷載衰減較為迅速。增大配箍率，可以提高滯回環的飽滿程度，剛度退化更為平緩；增大軸壓比可以改善滯回曲線的不對稱性，提高構件初始抗側移剛度，而軸壓比較小的試件后期抗震性能更加穩定。

4)配置HRB500鋼筋的T形截面混凝土異形柱具有較高的承載能力，剛度退化平緩，表現出良好的延性，其抗震性能的變化規律與普通鋼筋混凝土T形截面柱一致。

[參考文獻]

[1]Sumpter M S, Sani H R, Paul Z. Behavior of High-Performance Steel as Shear Reinforcement for Concrete Beams[J]. ACI Structural Journal, 2009, 106(2):171～177.

[2] Reidar Bjorhovde. Development and use of high performance steel [J]. Journal of Constructional Steel Research, 2004, 60(3): 393～400.

[3] 陳云霞，劉超，趙艷靜，等.T形、L形截面鋼筋混凝土雙向壓彎構件正截面承載力的研究[J].建筑結構，1999(1)：11～15.

[4] 張玉秋，陳云霞.鋼筋砼異形截面柱正截面承載力簡化計算[J].建筑結構，1999(1)：22～26.

[5] 中華人民共和國建設部.GB50010-2010，混凝土結構技術規范[S].北京：中國建筑工業出版社, 2010.

[6] 王新敏.ANSYS工程結構數值分析[M]. 石家莊：石家莊鐵道學院出版社，2004.

[7] 葉裕明，劉春山.ANSYS土木工程應用實例[M]. 北京：中國水利水電出版社，2005.

[8] 王依群，許貽懂，陳云霞.鋼筋混凝土異形柱的軸壓比限值與配箍構造[J].天津大學學報，2006, 39(3)：295～300.

[9] 王丹，黃承逵，劉明，等.異形柱雙偏壓構件正截面承載力試驗及設計方法研究[J].建筑結構學報，2001， 22(5)：37～42.

[10] 曹萬林，王光遠，魏文湘，等.不同方向周期往復荷載作用下T形柱的性能[J].地震工程與工程振動，1995，(4)：76～84.

[11] 王天穩.土木工程結構試驗[M].武漢：武漢理工大學出版社，2004.

[編輯]計飛翔

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-1409(2016)07-0059-04

[中圖分類號]TU375

[作者簡介]曲輝(1982-)，男，碩士，工程師，現主要從事工程項目管理方面的研究工作；E-mail:909551190@qq.com。

[基金項目]河北省建設廳科學技術研究計劃項目(2014-123)。

[收稿日期]2015-11-26

[引著格式]曲輝.配置HRB500鋼筋的混凝土T形柱抗震性能有限元分析[J].長江大學學報(自科版)，2016,13(7)：59～62.