鋼筋混凝土柱軸心抗壓強度尺寸效應研究

衛愛霞　李峰　謝勝濤

【摘 要】針對鋼筋混凝土構件尺寸效應問題，通過有限元數值模型進行軸心受壓破壞行為及尺寸效應數值研究，揭示鋼筋混凝土圓柱的軸心抗壓強度尺寸效應規律，為大尺寸鋼筋混凝土尺寸效應試驗提供了參考。

【關鍵詞】鋼筋混凝土；軸心抗壓強度；尺寸效應；數值研究

中圖分類號： TP391.9 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）20-0035-002

Numerical research of the effect of compressive strength of reinforced concrete column axis

WEI Ai-xia LI Feng XIE Sheng-tao

（Institute of Disaster Prevention，Sanhe Hebei 065201，China）

【Abstract】Aiming at the problem of size effect of reinforced concrete members， the finite element models of structures was adopted to study the damage behavior and size effect of stirrup-confined columns， discover the law of size effect of axial compressive strength of reinforced concrete columns， and provide references for the size effect test of large-size reinforced concrete.

【Key words】Reinforced concrete；Axis compressive strength；Size effect；Numerical studies

0 引言

鋼筋混凝土結構是由鋼筋和混凝土組合而成的復合結構，它的力學性能直接由鋼筋和混凝土的力學性能來決定[1]。與混凝土材料相比，鋼筋的力學性能簡單，容易掌握，均質性高。而混凝土作為一種由粗骨料、細骨料、水泥砂漿及初始缺陷構成的多項復合材料，其內部的非均質性構造特征使得混凝土具有顯著的尺寸效應[2]。因此，鋼筋混凝土結構的力學性能也必然存在尺寸效應。在材料和構件層次，國內外學者也充分考慮到了混凝土與鋼筋之間相互作用力學行為的高復雜性，通過試驗驗證了鋼筋混凝土構件層次的尺寸效應行為[3-5]。鋼筋混凝土的構件的非均質性尺寸效應和鋼筋/混凝土的非線性相互作用是目前研究的熱點，直接根據小尺寸試件的實驗結果建立的理論方法因受試驗設備和經濟條件的限制未必具有普遍的指導作用，而通過大尺寸的鋼筋混凝土構件試驗來研究構件層次的尺寸效應問題在現實中面臨諸多困難。因此，如果能夠建立表達鋼筋與混凝土非線性作用、混凝土的尺寸效應的數值模型，研究鋼筋混凝土構件的力學性能，掌握其破壞過程與機理，進而從小尺寸外推到大尺寸，從細觀尺度數值模型出發，對預測大尺寸鋼筋混凝土構件的力學特性和破壞行為具有重要意義。

1 鋼筋混凝土細觀尺度力學模型

為了更精確表達鋼筋混凝土構件的尺寸效應與鋼筋/混凝土非線性相互作用，本文采用混凝土細觀結構建立細觀尺度數值分析模型。假設混凝土材料由球狀骨料顆粒、砂漿介質和界面過渡區共同構成，其中骨料顆粒含量設為35%，使用30mm和16mm的等效粒徑表示骨料顆粒的連續級配。采用Monte-Carlo法隨機投放骨料顆粒，并在骨料結構上投影有限元網格，依據網格單元尺寸小于1/4骨粒粒徑的原則，設定網格單元大小為4mm，界面相厚度設置為4mm。根據骨料在網格中的位置判斷為骨料單元、砂漿單元和界面單元類型并賦予對應的材料特性。為了揭示鋼筋混凝土圓柱的軸壓破壞尺寸效應，按照1：1.5：2.25的截面尺寸比例設計與試驗試件相同的3組三維約束混凝土圓柱數值模型，其截面邊長與柱高分別為282mm×846mm、424mm×1272mm、636mm×1908mm。建立CBS-1、CBS-2、CBM-1、CBM-2、CBL-1和CBL-2共3組鋼筋約束混凝土圓柱數值模型，其中“C”代表圓形截面；“B”表示體積配箍率ρsv=2.89%；“S、M、L”分別表示構件尺寸的小、中、大型號；模型代號后的數字表示模型號。本次試驗采用C30混凝土和HRB400級鋼筋，按照我國混凝土結構設計規范（GB50010-2010）推薦的鋼筋-混凝土黏結滑移本構關系模型來描述其相互作用問題。

2 鋼筋混凝土柱軸心受壓力學行為

對3組不同尺寸的約束混凝土圓柱的軸壓破壞行為模式時，各骨料體積分數相同，僅空間隨機分布不同，固定圓柱底邊，在其頂部施加位移載荷，兩側為自由邊界，鋼筋混凝土圓柱在軸心壓力作用下，先從受壓端下側產生微小裂縫，但從圓柱整體來看，受壓端并未產生明顯破壞，破壞主要集中發生在圓柱中部；隨著加載力的逐漸增大，鋼筋混凝土圓柱外側混凝土脫落，裂縫逐漸向下發展，使圓柱體中部的破壞面積逐漸增大，產生更多斜裂縫，隨著這些裂縫的發展，最終沿圓柱體表面形成一道斜裂縫，鋼筋混凝土圓柱中的鋼筋達到屈服強度，使得鋼筋混凝土圓柱最終發生剪切破壞，喪失其穩定性。

數值模擬得到的名義軸壓強度如表1所示，由誤差知數值模擬與試驗結果吻合較好，誤差最大不超過1.22%，證明了該方法的有效性。在相同體積配箍率下，3組構件模型的名義軸心抗壓強度均隨構件尺寸的增大而減少，這說明約束混凝土圓柱存在尺寸效應現象。

圖1是創建的三種不同尺寸的有限元數值模型在軸向壓縮數值試驗下獲得的鋼筋混凝土圓柱名義應力與應變的關系曲線，圖中橫坐標是柱端豎向位移Δ與柱高H，縱坐標軸向應力為軸向荷載與柱橫截面面積的比值，從圖中可以看出，因為核心區混凝土處在三軸受壓力狀態，當構件模型達到峰值強度后，混凝土材料橫向膨脹量顯著增大，箍筋的約束力隨之增強，在箍筋約束作用下，核心區混凝土的剪切變形和膨脹變形受到限制，所以名義軸壓強度和變形能力顯著提高。不同尺寸的鋼筋混凝土圓柱的破壞歷程基本上是一致的，鋼筋混凝土圓柱的整個破壞過程符合鋼筋混凝土圓柱在實驗室得到的軸心受壓破壞機理。

3 結論

本文采用鋼筋混凝土軸壓破壞行為及尺寸效應模擬的三維細觀尺度數值模擬方法開展了鋼筋約束混凝土柱軸心抗壓強度尺寸效應理論分析，主要的研究結論如下：

（1）數值模擬結果與試驗結果吻合良好，鋼筋混凝土柱三維細觀分析模型較好表征了幾何尺寸對構件破壞行為及名義強度的影響，鋼筋混凝土圓柱軸心抗壓強度存在較顯著的尺寸效應現象。

（2）本文建立的鋼筋混凝土圓柱有限元數值模型在軸心壓縮下得到的數值結果與實驗結果吻合良好，能夠為大尺寸鋼筋混凝土圓柱構件提供良好的理論參考。

（3）箍筋不僅有效提高了混凝土的軸向名義壓縮強度而且箍筋對混凝土的尺寸效應現象有減輕作用，可以有效抑制混凝土柱的尺寸效應現象。

【參考文獻】

[1]杜修力，張建偉，符佳，等.鋼筋混凝土構件的尺寸效應研究進展及展望[J].建筑科學與工程學報，2009，26（3）：14-19.

[2]李冬，金瀏，杜修力.鋼筋混凝土柱軸心受壓性能及尺寸效應的細觀數值研究[J].水利學報，2016，47（2）：209-218.

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