基于剛度退化的鋼筋混凝土柱破壞的研究

李 博,聶高志

(河南大學土木建筑學院,河南 開封 475004)

鋼筋混凝土框架結構是我國建筑結構廣泛應用的結構形式之一,框架柱構件作為現代建筑主要的承重構件,在工程抗震中扮演著重要的角色。我國現階段的“三水準兩階段”基于承載力的抗震設計理論[1],對鋼筋混凝土構件的變形性未能給出定量的指標,從某種意義上說“三水準兩階段”抗震設計理論已經有了基于性能設計的雛形[2]。但其與目前國際上先進基于性能的抗震設計方法還有一定的差距[3]。本文提出了以描述構件破壞的狀態且能適應現代工程結構的抗震需求基于性能設計的抗震方法。并分析了鋼筋混凝土框架柱構件剛度退化的過程,研究構件在不同荷載條件下的變形性能指標,驗證其能否達到一定的機理性能要求,以期獲得鋼筋混凝土柱構件在不同地震水準下的性能指標。

1 試驗概述

1.1 鋼筋混凝土框架柱構件的設計

參照《混凝土結構設計規范》[4],試驗制作了6根框架柱構件,所采用混凝土構件強度均為C30等級,根據《混凝土結構試驗方法標準》進行標準條件下養護制備[5]構件混凝土及所用鋼筋詳細參數如表1所示屈服后控制每級位移循環3次。

表1 鋼筋基本參數

1.2 變量控制及加載方式

取Z1、Z2、Z3、Z4的鋼筋混凝土柱構件,控制體積配箍率與箍筋直徑為變參數,C1、C2、的鋼筋混凝土構件采用不同大小豎向荷載以其軸壓比為變參數,試驗加載時首先采用水平荷載分級加載至鋼筋混凝土柱構件達到屈服荷載,隨后采用位移加載的形式,控制每級位移加載為構件屈服時位移的1Δy、2Δy、3Δy,構件達到屈服后控制每級位移循環3次[6]。

2 本構關系及模型參數設置

基于應力空間和基于應變空間的兩類混凝土的本構模型,彈塑性損傷本構關系可以較為準確的描述構件材料的非線性相互作用,故本文采用軟件程序中提供的塑性損傷模型[7],鋼筋采用《鋼筋混凝土結構設計規范》推薦的雙折線模型。

本文采用ABAQUS有限元軟件對鋼筋混凝土梁柱試件進行模擬,混凝土構件以三維實體單元C3D8R建立,內部箍筋和縱向鋼筋采用T3D2行架單元進行分析,最后通過有限元軟件導出應力-應變云圖與試驗結果對比。在模型建立時為確保擬合結果與試驗結果的準確性,網格劃分精度以50mm為一個尺寸單位,混凝土柱構件模型建立與網格劃分如圖1所示。

圖1 鋼筋混凝土構件網格劃分

在Abaqus建立模型時,混凝土構件模型材料屬性泊松比設置為0.2,所采用鋼筋材料屬性的泊松比設為0.3膨脹角為30°混凝土框架柱構件地梁的底部與基礎接觸部分設置為固端約束,用*ENCASTRE使固定端沿任意方向的位移和轉角均被約束[8]。

3 試驗結果與數據分析

3.1 位移延性

通過建立有限元仿真模型得到混凝土構件應力云圖如圖2所示,通過整理試驗數據,將構件荷載循環最大值點相連接,取其外包線作為構件的包絡線,分析構件在不同加載階段時的抗震性能[9]。

根據圖3的曲線,構件軸壓比越大則構件峰值越大,鋼筋混凝土構件的最大峰值荷載與其軸壓比兩者呈正相關,曲線中斜率的絕對值越大則表示構件的屈服時間越短,達到極限荷載時的過程越快,且延性越差的構件其對應的峰值位移也越小[10]。具有相同配箍率的鋼筋混凝土構件,箍筋間距越大構件的延性越低。

3.2 損傷分析與剛度退化

混凝土試驗構件剛度的退化是由加載過程中構件的損傷累積和構件位移的幅值增大引起的,隨著加載次數增多,構件的抗疲勞性能呈下降趨勢,從而導致混凝土構件的割線剛度不斷下降,圖4列出了C1、C2與Z1、Z2、Z3、Z4兩組構件的割線剛度隨加載次數變化的組合曲線。

圖4 剛度退化關系圖

3.3 試件的能量耗散能力對比與分析

鋼筋混凝土試件受地震荷載作用時結構整體會吸收能量,構件在達到屈服之前近似為彈性體,此階段吸收的能量會以彈性勢能的形式完全釋放,構件屈服后部分能量通過阻尼消能、塑性吸能將結構內部能量進行耗散,本文根據《建筑抗震試驗方法規范(JGJ101-96)》推薦的公式進行計算,最終得到能量耗散系數及各試件耗能指標如圖5所示。

圖5 能量耗散系數變化曲線

由圖5中可得,實驗所用的鋼筋混凝土構件耗能系數出現兩種變化：一種為隨加載位移的增大而變緩,一種為隨加載位移的增大而減小的情況。其中上升段過程出現前期速率較大,而后有平緩的階段。鋼筋混凝土構件在達到屈服時,其與地梁相接的底部區域彈塑性變形隨加載位移的增大而增大,在核心區混凝土材料破壞后,其內部鋼筋起到抵抗承載力作用,故構件位移出現緩慢增大趨勢,由于鋼筋材料屈服強度較混凝土材料大,在加載后期,構件整體的彈性變形所占百分比增大,耗能系數有降低趨勢。

4 結論

(1)隨軸壓比的降低構件的延性有所增大,而構件屈服點和極限承載力大小隨之減小,鋼筋混凝土構件延性隨試驗的軸壓比增大略有降低,且增大配箍率也能有效改善構件的延性,隨著軸壓比的增大構件的屈服荷載、峰值荷載均有所增加。

(2)鋼筋混凝土柱構件受地震荷載作用的初期剛度退化較明顯,構件的軸壓比越大則其割線剛度也較大,構件割線剛度隨荷載作用前期衰減幅度較快,在加載后期試件整體屈服,剛度衰減速率逐漸變緩。

(3)構件在破壞初期處于未完全屈服狀態,受累積損傷的影響不顯著,而構件的隨荷載的作用產生的彈塑性變形會加大對試件的損傷程度；構件隨往復荷載作用時間增長,破壞效果顯著增大,位移量增加,累計耗能對構件的損傷起主導作用。