箍筋尺寸對復合約束短柱的軸壓性能影響分析

呂 濤

（中鐵十一局集團建筑安裝工程有限公司，湖北襄陽 441003）

0.引言

鋼管混凝土柱兼具了鋼材和混凝土兩種材料的優點，具有受力性能良好，承載能力高，延性高等優點。相較于圓鋼管混凝土柱，方鋼管混凝土柱在同樣的截面尺寸下具有較大抗彎剛度，并且方形截面柱更利于建筑平面布局，因此方鋼管混凝土柱正被廣泛地應用在工程建造中[1]。但方鋼管對核心混凝土的約束作用并不均勻，造成了對材料的極大浪費，因此，有學者提出在方鋼管內部設置鋼筋籠以增加對核心混凝土的約束作用[2-3]。Ding 等[2]通過在方鋼管混凝土中內置螺旋箍筋或圓形鋼筋籠以增強對核心混凝土的約束作用，研究結果表明兩種方法均能增大短柱的承載能力。齊浩等[3]通過在方鋼管混凝土中內置方形鋼筋籠以增加對邊長部分混凝土的約束作用，研究結果表明設置方形箍筋能有效解決方鋼管混凝土約束作用不均勻的問題。

為研究不同箍筋尺寸對內置方形箍筋的復合約束短柱軸壓力學性能的影響，本研究采用ABAQUS 有限元軟件分析了內置不同尺寸方箍筋的復合約束短柱的受力性能。

1.有限元模型建立

分析中共設置6 個復合約束有限元模型，模型尺寸參考文獻[3]進行設置。模型整體尺寸為200mm×200mm×600mm（長×寬×高），加勁肋截面尺寸為3mm×15mm（寬×長），鋼筋籠縱筋直徑為10mm，箍筋間距取為60mm，其中變量設置為方箍筋籠邊長與箍筋直徑，方箍筋邊長分別為80mm、90mm、100mm 和110mm，方箍筋直徑分別為6mm、8mm 和10mm。有限元模型尺寸如表1所示，為對分析結果準確描述，對各模型進行編號，編號中第一組“C”表示短柱，第二組中的數字代表箍筋直徑，第三組數字代表方箍筋邊長，如模型“C-6-110”表示箍筋直徑為6mm，方箍筋邊長為110mm 的復合約束短柱模型。

表1 有限元模型參數設置

模型中共包含鋼材、鋼筋和混凝土3 種材料。其中鋼材取Q235 鋼，鋼筋型號為HPB300，混凝土等級取C30。鋼材材料模型采用雙折線理想彈塑性本構，混凝土材料模型選用塑性損傷模型，混凝土拉壓本構模型按規范[4]建議的單軸應力-應變關系。鋼材與混凝土材料的彈性模量、泊松比、鋼材屈服強度、混凝土軸心抗壓強度、混凝土軸心抗拉強度均按規范規定計算求得[4]。

對短柱進行建模時，混凝土采用C3D8R 實體單元，鋼板采用S4R 殼單元，鋼筋采用T3D2 桁架單元。單元網格劃分時，均取單元大小為20mm[5]。模型中的相互作用關系主要有：（1）混凝土與鋼管相互作用；（2）混凝土與鋼筋籠相互作用。采用軟件中提供的“面-面接觸”模擬混凝土與鋼管之間的接觸作用，法向為“硬接觸”，切向為庫倫摩擦模型模擬，切向摩擦系數為0.25[6]。采用軟件中提供的“內置區域”將方形箍筋籠“嵌入”混凝土中，以保證二者的協同受力。模型底部固結，頂部為自由端，并在頂部施加豎直向下的位移荷載，模擬短柱軸向受壓工況。

2.有限元分析結果

2.1 破壞模式

所有模型的破壞模式基本相同，以模型C-6-100 為例對模型的破壞模式進行分析，圖1 為其破壞時的應力云圖。從圖中可以看出，模型C-6-100 的破壞模式與文獻[3]中SS 組模型的破壞模式基本一致，當達到最大加載位移時，絕大部分鋼管進入屈服階段，混凝土幾乎達到極限抗壓強度，位于鋼筋籠中部的縱筋與箍筋也達到材料屈服強度，所有材料的性能均得到了充分發揮。此外，鋼筋籠中部由于受到混凝土橫向變形擠壓，產生了較大的橫向變形，這也說明鋼筋籠對核心混凝土起到了較好的約束作用。

2.2 荷載-位移曲線

圖2 為各個模型的荷載位移曲線，其中圖2（a）為不同箍筋邊長的對比曲線，圖2（b）為不同箍筋直徑的對比曲線。

圖2 模型荷載-位移曲線

從圖2（a）中可以看出，在彈性階段，箍筋邊長對模型的荷載-位移曲線幾乎沒有影響；縮小箍筋邊長會使得模型的峰值荷載降低，但降低幅度較小，其主要原因是，邊長較小的箍筋無法在峰值荷載時提供足夠的約束作用，使得混凝土的實際承載力略低；在荷載下降階段，邊長較大的箍筋能有效延緩荷載下降速率，說明峰值荷載過后，邊長較大的箍筋能夠提供較大的約束作用，有效延緩模型的破壞。

從圖2（b）中可以看出，箍筋直徑對彈性階段的荷載-位移曲線幾乎沒有影響，并且箍筋直徑對模型峰值荷載的影響較小。但增大箍筋直徑能有效延緩峰值荷載后的荷載下降速率，增大模型延性。

2.3 力學性能指標

為進一步分析模型的受力性能，采用通用屈服彎矩法[7]計算模型屈服位移（Δy）與屈服荷載（Py），采用規范[8]推薦計算方法計算模型峰值荷載（Pm）、極限位移（Δu）與延性（μ），計算結果如表2 所示。

表2 力學性能指標計算

從表中可以看出，箍筋邊長與直徑對屈服位移影響較小。增大箍筋邊長和箍筋直徑均會提高箍筋對核心混凝土的約束作用，進而提高了模型的屈服荷載、峰值荷載、極限位移和延性。

3.結語

本文采用有限元軟件研究了箍筋參數對復合約束短柱軸壓力學性能的影響，分析了不同箍筋參數下短柱的破壞模式、承載能力和延性。研究結果表明，提高箍筋直徑和內置鋼筋籠的邊長對短柱的破壞現象影響較小，但能有效提高短柱的復合約束作用，進而提高短柱的承載能力和延性。