高強(qiáng)約束混凝土偏壓構(gòu)件受力性態(tài)研究

楊德健，張紀(jì)剛，常 沙（天津城建大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300384）

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土木工程

高強(qiáng)約束混凝土偏壓構(gòu)件受力性態(tài)研究

楊德健，張紀(jì)剛，常 沙
（天津城建大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300384）

建立了高強(qiáng)混凝土偏壓柱有限元數(shù)值模型，分析了箍筋的間距及配箍形式對(duì)構(gòu)件核心區(qū)混凝土應(yīng)變及承載力的影響.結(jié)果表明，混凝土的延性和變形受箍筋強(qiáng)度的影響，成較為顯著的正相關(guān).高強(qiáng)箍筋在構(gòu)件破壞階段具有較高的安全貯備，可對(duì)核心區(qū)混凝土提供有效約束，但在正常使用狀態(tài)下箍筋間距和配箍形式對(duì)構(gòu)件延性的影響更大.

高強(qiáng)箍筋；偏心受壓；箍筋間距；箍筋形式

我國(guó)的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）［1］將400，MPa，500，MPa級(jí)的鋼筋作為主導(dǎo)鋼筋，同時(shí)將強(qiáng)度等級(jí)為C60-C80的高強(qiáng)混凝土列入規(guī)范，推薦在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中盡量采用高強(qiáng)材料，提高建筑材料的性價(jià)比和使用效率.近年來一些高層建筑和橋梁結(jié)構(gòu)中高強(qiáng)材料得到了使用，但高強(qiáng)綱筋和高強(qiáng)混凝土的用量占建筑材料總體用量的比例仍然很低.葉列平、陸新征［2］指出造成高強(qiáng)材料在實(shí)際中應(yīng)用不足的主要原因是關(guān)于高強(qiáng)材料的理論研究過于滯后，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，實(shí)際的需求使得此類研究迅速在各個(gè)地區(qū)展開，許多學(xué)者近些年對(duì)此類問題也做了諸多的研究，取得了諸多的成果［3-7］.

在實(shí)際建筑工程中，很少見到絕對(duì)的軸心受壓構(gòu)件，由于材料的不均勻、荷載作用偏離軸心、施工等因素，偏心受壓為軸向構(gòu)件的主要受力方式，結(jié)構(gòu)中多數(shù)的柱都是偏心受壓構(gòu)件，此類問題目前研究較少.本文采用有限元數(shù)值模擬分析，從混凝土應(yīng)力應(yīng)變、混凝土承載力和箍筋應(yīng)力應(yīng)變?nèi)胧郑芯扛邚?qiáng)約束構(gòu)件在偏心受壓荷載的作用下高強(qiáng)箍筋對(duì)承載力的影響.

1 偏壓構(gòu)件模型設(shè)計(jì)

本文采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行數(shù)值模擬，采用構(gòu)件1作為驗(yàn)證構(gòu)件，構(gòu)件尺寸為150，mm× 150，mm×450，mm，混凝土強(qiáng)度C80，高強(qiáng)箍筋強(qiáng)度為1，120，MPa，直徑為6.5，mm，箍筋間距為50，mm，縱筋直徑為8，mm，配筋形式如圖1所示.

采用分離式模型，混凝土采用SOLID65單元，鋼筋采用LINK8三維桿單元，剛性墊塊為三維8節(jié)點(diǎn)實(shí)體SOLID45單元.混凝土采用Willam-Warnke五參數(shù)破壞準(zhǔn)則和Von Mises屈服準(zhǔn)則，選用多線性等向強(qiáng)化模型MISO，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用孫軍華，干剛征［8］提出的高強(qiáng)箍筋約束高強(qiáng)混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線表達(dá)式，見式（1）至式（4）.

式中：k1與k2分別為控制曲線下降段坡度和凸凹的系數(shù).

式中：fc0與fcc分別為非約束與約束混凝土的峰值強(qiáng)度；fle為約束混凝土達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)對(duì)應(yīng)的箍筋有效側(cè)向約束力.

式中：εc0為非約束混凝土的峰值應(yīng)變.

混凝土的MISO模型如圖2所示.鋼筋采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型BIKN.

圖1 構(gòu)件尺寸和截面配筋形式

圖2 混凝土的MISO模型

混凝土和鋼筋采用分離式模型進(jìn)行數(shù)值建模，首先創(chuàng)建縱筋的模型，按由下而上建模順序建模，并進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分，縱筋單元長(zhǎng)度為50，mm.箍筋建模方法同縱筋，單元長(zhǎng)度為30，mm，鋼筋模型如圖3所示.混凝土模型采用自上而下進(jìn)行建模，并進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分，鋼筋與混凝土共用節(jié)點(diǎn)，模型一端設(shè)為固定端，用位移加載方式在另一端施加面荷載，混凝土模型如圖4所示.數(shù)值分析得出構(gòu)件1的混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比（見圖5），兩曲線擬合較好，試驗(yàn)和模擬所得混凝土最大應(yīng)力值分別為69.50，MPa，69.35，MPa，最大應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變分別為0.003，43，0.003，12，誤差均在10%，以內(nèi)，采用此數(shù)值模型對(duì)構(gòu)件分析的結(jié)果相對(duì)有效.

圖3 鋼筋有限元模型

圖4 混凝土有限元模型

圖5 有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果

2 高強(qiáng)約束混凝土柱偏心受壓性態(tài)分析

2.1 箍筋間距對(duì)構(gòu)件承載力和延性的影響分析

為研究構(gòu)件承載力和變形受到箍筋間距的影響程度，采用箍筋的間距分為25，mm，50，mm，75，mm三種形式，保持縱向鋼筋強(qiáng)度、混凝土強(qiáng)度等級(jí)、配筋率和箍筋強(qiáng)度不變，箍筋形式采用普通形式A和復(fù)合形式B兩種作為對(duì)比（見圖6），作用荷載分為大偏心和小偏心荷載，構(gòu)件截面尺寸為300，mm×300，mm，柱高為750，mm，保護(hù)層厚度為25，mm.構(gòu)件的具體參數(shù)見表1.

表1 構(gòu)件設(shè)計(jì)參數(shù)

圖6 截面配筋形式

2.1.1 混凝土應(yīng)力-應(yīng)變及荷載分析

圖7 構(gòu)件1-3核心區(qū)混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖8 構(gòu)件1-3荷載-位移曲線

采用復(fù)合箍筋，取構(gòu)件高中部核心區(qū)混凝土單元為研究對(duì)象，將構(gòu)件1-3混凝土單元的應(yīng)力-應(yīng)變曲線繪制在同一坐標(biāo)系中（見圖7）.由圖7可知，混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰值隨箍筋間距的減小而增大，最大應(yīng)力分別增加了7.39，MPa和12.83，MPa.故采用復(fù)合箍筋時(shí)，改變箍筋間距可以有效提高構(gòu)件的最大應(yīng)力和應(yīng)變，提高了構(gòu)件的變形能力.將荷載-位移曲線繪制在同一坐標(biāo)系中（見圖8），由圖8可知，隨著箍筋間距的減小，構(gòu)件混凝土達(dá)到最大應(yīng)力時(shí)施加的荷載值不斷增加，荷載值依次增加了838.61，kN和614.42，kN，改變箍筋間距可以有效提高構(gòu)件的承載力.

采用普通形式的箍筋，同樣可以得出結(jié)論：減小箍筋間距，可以提高構(gòu)件的變形能力，有效提高構(gòu)件的承載能力.

2.1.2 箍筋應(yīng)力分析

取構(gòu)件高中部受壓側(cè)箍筋單元為研究對(duì)象，分析構(gòu)件1-3由于箍筋間距改變對(duì)箍筋荷載-應(yīng)變曲線的影響，將各曲線繪制在同一坐標(biāo)系中（見圖9）.各曲線變化相差不大，主要區(qū)別在于構(gòu)件混凝土達(dá)到最大應(yīng)力時(shí)，曲線所對(duì)應(yīng)的荷載和應(yīng)變數(shù)值不同，當(dāng)箍筋間距為25，mm，50，mm，75，mm時(shí)，箍筋應(yīng)變數(shù)值最大分別為0.002，8，0.001，9，0.001，4.箍筋間距減小，箍筋的應(yīng)變數(shù)值增大，說明箍筋發(fā)揮的約束作用越強(qiáng).采用小間距的箍筋，箍筋對(duì)構(gòu)件的約束作用好，箍筋的應(yīng)力值高.通過對(duì)箍筋間距分別為25，mm，50，mm，75，mm的構(gòu)件進(jìn)行數(shù)值分析可得出，減小箍筋間距，實(shí)際增大了箍筋對(duì)混凝土的約束面積，使箍筋對(duì)混凝土的約束加強(qiáng)，三組構(gòu)件后者與前者相比荷載值分別提高了11.73%，和11.14%，.

圖9 構(gòu)件1-3荷載-箍筋應(yīng)變曲線

3根構(gòu)件在混凝土峰值時(shí)高中部截面的應(yīng)力分布見圖10，由圖10分析結(jié)果表明，在構(gòu)件到達(dá)極限承載力狀態(tài)時(shí)，箍筋應(yīng)力遠(yuǎn)未達(dá)到其極限強(qiáng)度，表明箍筋尚具有較高的安全儲(chǔ)備，能夠?yàn)檫M(jìn)入破壞階段的混凝土提供有效約束，進(jìn)而提高構(gòu)件的延性.此時(shí)高強(qiáng)箍筋將發(fā)揮普通箍筋不可替代的作用.

圖10 箍筋應(yīng)力分布

2.2 箍筋形式對(duì)構(gòu)件承載力和延性的影響

研究箍筋形式的變化對(duì)構(gòu)件承載力和變形的影響，采用普通A和復(fù)合B兩種形式，固定縱向鋼筋強(qiáng)度、混凝土強(qiáng)度等級(jí)、配筋率和箍筋強(qiáng)度，作用荷載偏心距為30，mm和150，mm兩種，分別采用箍筋間距為75，mm和50，mm兩種，進(jìn)行對(duì)比分析，構(gòu)件的具體參數(shù)見表2.

表2 構(gòu)件設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2.1 混凝土應(yīng)力-應(yīng)變及承載力分析

取構(gòu)件高中部核心區(qū)混凝土單元為研究對(duì)象，當(dāng)為小偏心時(shí)，采用復(fù)合形式箍筋的構(gòu)件混凝土單元應(yīng)力-應(yīng)變曲線的最大應(yīng)力和對(duì)應(yīng)的峰值是采用普通形式箍筋構(gòu)件混凝土最大應(yīng)力、應(yīng)變的1.12倍和1.66倍.當(dāng)為大偏心時(shí)，采用復(fù)合形式箍筋的構(gòu)件混凝土單元應(yīng)力-應(yīng)變曲線的最大應(yīng)力和對(duì)應(yīng)的峰值是采用普通形式箍筋構(gòu)件混凝土最大應(yīng)力、應(yīng)變的1.10倍和1.44倍，如圖11-12所示.

圖11 構(gòu)件1-2核心區(qū)混凝土應(yīng)力-應(yīng)變

圖12 構(gòu)件3-4混凝土應(yīng)力-應(yīng)變

改變箍筋間距，同樣使用A、B兩種箍筋形式進(jìn)行驗(yàn)證，所得結(jié)果同箍筋間距為75，mm時(shí)的結(jié)果，即無論是在小偏心荷載還是大偏心荷載作用下，使用復(fù)合形式箍筋可以提高構(gòu)件混凝土的最大應(yīng)力和峰值應(yīng)變，增加混凝土的變形能力.

圖13 構(gòu)件1-4荷載-位移曲線

繪制構(gòu)件1-4荷載-位移曲線（見圖13），由圖13可知在小偏心荷載作用下，普通形式的箍筋在混凝土達(dá)到最大壓應(yīng)力時(shí)，施加的荷載值為4，389.51，kN.復(fù)合形式的箍筋施加的荷載值為5，239.75，kN，是普通形式箍筋構(gòu)件荷載值的1.19 倍.將偏心距增加到150，mm，混凝土達(dá)到最大壓應(yīng)力時(shí)，配置普通形式箍筋和配置復(fù)合形式箍筋的構(gòu)件施加的荷載值分別為1，761.47，kN和2，212.65，kN，后者荷載值是前者的1.26倍.改變箍筋間距，將模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，所得結(jié)論和箍筋間距為75，mm時(shí)結(jié)論一致，即無論是在小偏心荷載還是大偏心荷載作用下，采用復(fù)合形式的箍筋能夠很好地提高構(gòu)件的承載能力.

2.2.2 箍筋應(yīng)力分析

取構(gòu)件1-4高中部箍筋單元，研究箍筋單元的荷載-應(yīng)變曲線（見圖14）.由圖14可知，改變箍筋形式對(duì)于大、小偏心受壓的構(gòu)件，箍筋的應(yīng)力變化速率不隨箍筋的形式發(fā)生改變.但是采用復(fù)合形式的箍筋構(gòu)件中箍筋的應(yīng)變比采用普通形式箍筋構(gòu)件的應(yīng)變大.小偏心受壓時(shí)，普通形式箍筋和復(fù)合形式箍筋構(gòu)件中箍筋的應(yīng)變分別為0.000，702和0.001，387，復(fù)合形式箍筋是普通形式箍筋應(yīng)力的1.976倍；大偏心受壓時(shí)，復(fù)合形式箍筋是普通形式箍筋應(yīng)力的1.679倍；采用復(fù)合形式的箍筋，使其接觸面積增大，提高了箍筋對(duì)混凝土的約束能力.

圖14 構(gòu)件1-4箍筋荷載-應(yīng)變曲線

3 結(jié) 論

本文分析了配置高強(qiáng)箍筋的高強(qiáng)混凝土偏壓柱受力性態(tài)及影響因素，得出如下主要結(jié)論.

（1） 適當(dāng)?shù)目s短箍筋間的間距是提高承載力的有效手段.對(duì)于間距為25，mm，50，mm，75，mm的三種形式，以上構(gòu)件間距每縮短25，mm，承載力將會(huì)有11%，左右的提高，其效果變換明顯.

（2） 相比于箍筋間距，改變箍筋形式使箍筋與核心區(qū)混凝土有了更充分的接觸，大大增加了箍筋與混凝土的咬合面積，在不改變箍筋位置的前提下大幅度提高了構(gòu)件性能.如本文A、B兩種形式，B種復(fù)合形式構(gòu)件其荷載提高20%，左右，箍筋應(yīng)力提升60%，以上，能夠充分發(fā)揮箍筋的約束能力.

（3） 高強(qiáng)箍筋對(duì)構(gòu)件約束的影響主要通過箍筋間距和箍筋形式，而高強(qiáng)箍筋的強(qiáng)度對(duì)構(gòu)件的約束，只能在構(gòu)件倒塌破壞時(shí)有明顯體現(xiàn).

［1］ 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB50010—2010［S］.

［2］ 葉列平，陸新征. 高強(qiáng)高性能工程結(jié)構(gòu)材料與現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)理論的發(fā)展［C］// 第一屆結(jié)構(gòu)工程新進(jìn)展國(guó)際論壇文集.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006：208-250.

［3］ 郭獻(xiàn)忠. 區(qū)域約束高強(qiáng)混凝土軸心受壓短柱的非線性分析研究［D］. 貴州：貴州大學(xué)，2006：64-65.

［4］ 史慶軒，楊 坤，白力更，等. 高強(qiáng)箍筋約束高強(qiáng)混凝土柱抗震性能試驗(yàn)研究［J］. 土木工程學(xué)報(bào)，2011，44（12）：9-17.

［5］ 趙 東. 高強(qiáng)箍筋約束混凝土偏心受壓構(gòu)件試驗(yàn)及非線性分析［D］. 西安：西安建筑大學(xué)，2008：53-54. ［6］ 李 坤. 不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)承載力實(shí)驗(yàn)研究［D］. 合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2004：47-48.

［7］ 史慶軒，楊 坤，劉維亞，等. 高強(qiáng)箍筋約束高強(qiáng)混凝土軸心受壓力學(xué)性能試驗(yàn)研究［J］. 工程力學(xué)，2012，29（1）：141-149.

［8］ 孫軍華，干 鋼. 高強(qiáng)約束混凝土梁截面的延性計(jì)算［J］. 工業(yè)建筑，2001，31（12）：43-46.

Research on Stress Performance of Confined High-strength Concrete Eccentric Compression Member

YANG Dejian，ZHANG Jigang，CHANG Sha
（School of Civil Engineering，TCU，Tianjin 300384，China）

A high strength concrete column bias finite element numerical model is established， and the influence of the reinforcement spacing of stirrups and form on the strain and bearing capacity of core concrete of components is analyzed. The results show that the ductility and deformation of the concrete are influenced by the strength of the stirrup， and are positively correlated. With high security reserves， high-strength stirrup in component failure stage can improve the core concrete effective constraint， but under the normal operation condition the reinforcement and stirrup spacing form have a greater influence on component ductility.

high-strength stirrup；eccentric compression；stirrup spacing；stirrup form

材料科學(xué)與工程

TU375

A

2095-719X（2016）02-0104-05

2015-04-23；

2015-05-06

楊德健（1962—），男，天津人，天津城建大學(xué)教授，博士.