鋼筋混凝土軸心受壓T形柱力學性能研究

李佩，劉忠，李科鋒，陳葉

（湘潭大學土木工程與力學學院，湖南 湘潭 411105）

鋼筋混凝土軸心受壓T形柱力學性能研究

李佩，劉忠，李科鋒，陳葉

（湘潭大學土木工程與力學學院，湖南 湘潭 411105）

針對鋼筋混凝土軸心受壓T形柱的受力性能，采用有限元分析技術進行非線性數值模擬，計算值與試驗值吻合較好，表明論文建立的三維有限元模型是合理的。利用該模型，探討長細比、混凝土強度、縱筋配筋率、箍筋配箍率等參數對試件力學性能的影響。

T形柱;軸心受壓;力學性能

1 引言

異形柱通常是指鋼筋混凝土框架結構中截面形狀為L形、T形和十字形的柱體。采用異形柱，可擴大建筑有效使用面積，提高建筑布置靈活性，改善室內空間視覺效果。因此，異形柱特別適合住宅建筑，許多省市的住宅建筑中已有廣泛的應用。

國內外學者對異形柱已有較為深入的研究，包括運用計算機進行數值分析[1,2]、試驗研究和理論分析等[3,4]。

本文針對鋼筋混凝土軸心受壓T形柱的受力性能，采用有限元分析技術進行數值模擬，探討長細比、混凝土強度、縱筋配筋率、箍筋配箍率等參數對試件力學性能的影響。

2 有限元模型

2.1 試驗簡介

針對鋼筋混凝土異形柱的受力特性，孫林柱等人[5]進行了一系列試驗研究。本文取其中ZT6進行研究，柱高為，試件尺寸及截面配筋如圖1所示。

圖1 試件尺寸及截面配筋圖

2.2 模型建立

根據試驗過程，本文取柱子T形部分建立模型，柱兩端設置厚度為30mm剛性墊塊。

T形截面形心坐標為X=135mm，Y=99mm。因此，建模時設坐標原點位于柱底形心處，X軸設在翼緣方向，Y軸設在腹板方向，沿柱高為Z軸方向。核心混凝土應力-應變關系取改進的Kent—Park模型[6]；鋼筋選用理想彈塑性本構關系。

鋼筋骨架與混凝土采用內置區域的方式；T形柱與墊塊間綁定連接；在2墊塊外表面T形柱形心處建立參考點，分別與墊塊表面進行耦合，并在參考點施加位移荷載。對于軸壓短柱試件，一端設為固定約束，另一端放開軸向自由度。所得模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

將有限元分析得到試件的荷載-應變曲線、極限承載力（曲線中荷載最大值）以及峰值應變（曲線峰值點處應變）與試驗結果進行對比，分別如圖3和表1所示。

圖3 計算值與試驗值對比圖

表1 有限元結果與試驗結果比較

由圖3可知，2條曲線在上升段趨勢相同，且較為靠近；從表1中數據得出，極限承載力誤差為12.03%，峰值應變誤差為-3.23%，誤差均在允許范圍內。由此說明,本文建立的鋼筋混凝土軸心受壓T形柱有限元模型是合理的。

3 受力性能分析

3.1 截面應力分析

圖4為沿柱高不同截面混凝土縱向應力分布圖。由圖可知，混凝土橫向膨脹使箍筋產生彎曲，箍筋的約束作用最強位置在箍筋轉角部位，最弱位于直線段中部附近，這種作用使箍筋所在平面形成“拱”，與保護層間形成弱約束區，應力值較小；截面中央為強約束區，應力值較大。由圣維南原理，靠近柱端截面應力值較大于柱中截面；同一截面中，不同位置應力值差別不大，且各截面應力值近似相等，均為負值，說明混凝土近似處于均勻壓縮狀態。圖5為柱中截面鋼筋縱向應力分布圖，所有鋼筋應力相等，說明鋼筋處于均勻壓縮狀態。故由圖4、圖5得出，在軸心荷載作用下，試件處于壓縮狀態，且各截面的應力分布較為均勻。

圖4 不同截面混凝土縱向應力分布圖

圖5 Z=500mm鋼筋縱向應力分布圖

3.2 截面應變分析

圖6為混凝土N-ε關系曲線。由圖可知，加載初期，縱向應變與環向應變均呈線性變化，但縱向應變曲線斜率大于環向，說明材料在彈性范圍內變化，且試件縱向應變大于環向應變；當試件進入彈塑性階段，材料縱向進入強化階段，環向進入塑性階段。由此得出，在軸心荷載作用下，試件縱向先發生破壞，然后環向發生破壞。

圖6 混凝土N-ε關系曲線

3.3 參數分析

3.3.1 長細比

圖7為不同長細比荷載-縱向位移曲線。由圖可知，隨著長細比的增加，試件極限承載力減小，縱向位移增加。這是由于試件越長，縱向剛度越小，縱向位移也越大，說明試件的延性性能越好。

圖7 荷載-縱向位移曲線

根據異形柱規范[7]，λ≤17.5即認為是短柱。圖8為λ=10和λ=62的試件沿柱高橫向應變圖，由圖可知，λ=10的短柱破壞形態為柱中鼓曲呈燈籠狀破壞；λ=62的中長柱破壞形態為上下各1/4處鼓曲呈啞鈴狀破壞。這說明柱高度較小時，由于上下兩端受力后，力有效地向中部傳遞，使得柱中部位荷載較大，最終呈燈籠狀破壞；當柱高度較大時，兩端作用力向中間傳遞時，由于兩端柱面上存在較大的摩擦力，且柱身高度較大，荷載不能有效傳遞到柱身中部，所以在柱身上下各1/4處出現鼓曲破壞，試件最終呈啞鈴狀破壞。

圖8 不同長細比試件沿柱高橫向應變圖

3.2.2 混凝土強度

圖9為不同混凝土強度荷載-縱向位移曲線。由圖可知，隨著混凝土強度的增加，鋼筋混凝土T形柱的剛度增加，承載力提高，相應的縱向位移減小。

圖9 荷載-縱向位移曲線

圖10 不同縱筋配筋率荷載-縱向位移曲線

3.3.3 縱筋配筋率

圖10為不同縱筋配筋率荷載-縱向位移曲線。由圖可知，隨著縱筋配筋率的增加，鋼筋混凝土T形柱的承載力相應提高，但試件的縱向位移幾乎相同，說明配筋率的提高，對縱向位移的影響很小。

3.3.4 體積配箍率

圖11 不同體積配箍率荷載-縱向位移曲線

圖11為不同體積配箍率荷載-縱向位移曲線。由圖可知，50%～60%峰值承載力以前，曲線基本重合，說明此階段，箍筋的約束作用較小；50%～60%峰值承載力以后，隨著荷載的增加，箍筋的約束作用增強。隨著體積配箍率的增加，鋼筋混凝土軸心受壓T形柱的峰值承載力和對應的縱向位移增大。

4 結語

1）隨著長細比的增加，試件的極限承載力減小，縱向位移增大。

2）長細比較小的試件呈燈籠狀破壞，長細比較大的試件呈啞鈴狀破壞。

3）隨著混凝土強度的增加，試件的剛度增加，承載力提高，相應的縱向位移減小。

4）隨著縱筋配筋率的增加，試件的承載力相應提高，但縱向位移幾乎相同。

5）箍筋約束作用主要發生在50%～60%峰值承載力以后，隨著體積配箍率的增加，鋼筋混凝土軸心受壓T形柱的峰值承載力和對應的縱向位移增大。

【1】JoaquinMarin.DesignAidsforL-ShapedReinforcedConcreteColumn [J].JournalofAmericanConcrete Institute，1979，76(11)：1197-1216.

【2】Cheng-Tzu TomasHsu.T-ShapedReinforcedConcreteMembersunder BiaxialBendingand AxialCompression[J].ACIStructuralJournal，1989(4)：46.-468.

【3】陳云霞，劉超，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】馮建平，陳謙.L形和T形截面柱正截面承載力的研究[J].華南理工大學學報，1995（1）：51-61.

【5】孫林柱.鋼筋混凝土異形柱軸心受壓性能的試驗研究[D].天津：天津大學，2006.

【6】ParkR，Negel PMM J，Wayne D G.Ductility of square-confined concretecolumns[J].StructureDir，ASCE，1982，108（ST4）：929-950.

【7】JGJ149—2006混凝土異形柱結構技術規程[S].

The Research on Mechanical Properties of T-shaped Concrete Column Under Axial Loading

LI Pei，LIU Zhong，LI Ke-feng，CHEN Ye
(College of CivilEngineeringandMechanics，XiangtanUniversity，Xiangtan 411105，China)

In view of the mechanical properties of T-shaped concrete column under axial loading，using the finite element analysis technology to carryoutnonlinearnumericalsimulation，thecalculated resultsareagreedwellw ith theexperimentalones.The resultsshow that the 3D finite element analysis model is reasonable.Using this model，studying the influence on mechanical properties of slenderness ratio、concretestrength、theratioof longitudinalreinforcement、stirrup reinforcementratioofcolumn.

T-shaped column;axialloading;mechanicalproperties

TU375

A

1007-9467（2016）08-0041-04

10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.08.005

2016-02-28

李佩（1990～），女，陜西西安人，在讀碩士，從事結構工程研究，（電子信箱）578707530@qq.com。