配置斜向鋼筋高強(qiáng)混凝土扁柱抗震性能探究

1、配置斜向鋼筋高強(qiáng)混凝土扁柱抗震性能探究基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51078037)； 教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目 (20100205110010)；中國博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(2012m511957)作者簡介：雷拓(1973),男，陜西岐山人，講師，工 學(xué)博士，email： leituo616。摘要：為研究高層建筑轉(zhuǎn)換梁節(jié)點(diǎn)上扁柱的抗震性能， 進(jìn)行了 3個(gè)1 ：4縮尺模型的低周反復(fù)加載試驗(yàn)，對其破壞 形態(tài)、滯回曲線、極限承載力及延性進(jìn)行了分析。在試驗(yàn)基 礎(chǔ)上，利用abaqus軟件對試件進(jìn)行了有限元分析；詳細(xì)討 論了有限元模型的建立、模型材料參數(shù)的定義以及斜向鋼筋 的影響。結(jié)果表

2、明：軸壓的增大提高了試件的極限承載力， 同時(shí)也減小了構(gòu)件的延性；構(gòu)件荷載位移滯回曲線飽滿，具 有較好的耗能能力；在相關(guān)參數(shù)合理設(shè)置的前提下，abaqus 混凝土損傷塑性模型可用于鋼筋混凝土構(gòu)件的滯回分析；斜 向鋼筋增加了試件的極限承載力，但位移延性沒有明顯變 化。關(guān)鍵詞：斜向鋼筋；高強(qiáng)混凝土；扁柱；高層建筑；抗 震性能；滯回分析；有限元中圖分類號(hào)：tu352文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a0引言高強(qiáng)混凝土具有能夠大幅度提升結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的承載力、 減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸和自重、加快施工進(jìn)度等優(yōu)點(diǎn)，在工程實(shí) 踐中得到了越來越多的應(yīng)用。近年來，在高層、小高層結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)中，建筑師和結(jié)構(gòu)工程師為了改善室內(nèi)使用空間和視覺 效果，較

3、多使用了扁柱（柱截面高寬比為24）,從而形成 扁柱框架結(jié)構(gòu)或扁柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系12。張國軍等 3、史慶軒等4分別就火力發(fā)電廠主廠房框架混凝土扁柱 進(jìn)行了縮尺模型試驗(yàn)研究。馮慶興等5就結(jié)構(gòu)計(jì)算中扁柱 的幾種建模方法進(jìn)行了比較。而對于高強(qiáng)混凝土扁柱破壞機(jī) 理的研究，目前還未見報(bào)道。本文中筆者通過對3個(gè)配置斜向鋼筋的高強(qiáng)混凝土扁柱 的低周反復(fù)加載試驗(yàn)研究，定量測試結(jié)構(gòu)構(gòu)件在較低應(yīng)力水 平下的滯回曲線和骨架曲線，對扁柱的強(qiáng)度、剛度、延性和 耗能進(jìn)行了分析；詳細(xì)討論了試驗(yàn)有限元模型的建立、模型 材料參數(shù)的定義以及斜向配筋對構(gòu)件滯回性能的影響，驗(yàn)證 了扁柱構(gòu)件設(shè)計(jì)的可行性。1試驗(yàn)概況1. 1試件設(shè)計(jì)與

4、制作試件原型為某24層高等級(jí)酒店結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層斜交梁節(jié)點(diǎn) 上的扁柱。模型與原型的縮尺比例為1 ： 4,共制作3個(gè)試件,柱截面高寬比為3o扁柱混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為c80,鋼筋為 hrb400級(jí)；底座為斜交梁節(jié)點(diǎn)形式，底座梁以及加載梁的混 凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為c45,型鋼為q345級(jí)，鋼筋為hrb335級(jí)。 試件尺寸及配筋見圖1,混凝土材料力學(xué)性能如表1所示。1.2加載制度首先，采用千斤頂施加軸壓比要求的豎向荷載（試件1, 2均為1 000 kn,試件3為1 300 kn）,待豎向力恒定后，通過加載梁兩端的滑動(dòng)支座使加載梁始 終保持水平，再由申科機(jī)施加水平荷載。初期加載為力控制, 采用周期為100 s的正弦波，

5、每級(jí)荷載循環(huán)1次，加載力幅 值按每級(jí)10 kn遞增。而后加載按屈服位移的整數(shù)倍逐級(jí)施 加位移，每級(jí)荷載循環(huán)3次，直到試件承載力下降至極限承 載力的80%左右時(shí)停止試驗(yàn)。試驗(yàn)加載裝置如圖2所示。2試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果分析2. 1試驗(yàn)現(xiàn)象試驗(yàn)中首先在柱腳出現(xiàn)豎向裂縫，接著產(chǎn)生水平裂縫。 在接近屈服荷載時(shí)，豎向裂縫延伸，柱頂、柱腳混凝土開始 壓碎剝落；在柱身上下1/3處出現(xiàn)大量斜裂縫。在接近極限 承載力時(shí)，柱頂、柱腳混凝土被壓碎現(xiàn)象較為嚴(yán)重，并有鋼 筋露出。隨著加載位移的繼續(xù)增大，柱頂、柱腳混凝土完全被壓碎，局部鋼筋壓ii、斷裂；柱底、柱頂部位斜裂縫繼續(xù)加密，但并未向柱體中部發(fā)展。圖3為試件的破壞形態(tài)。2

6、. 2結(jié)果分析試件荷載位移滯回曲線見圖4。由圖4可以看出，進(jìn)入 塑性后，滯回環(huán)基本呈穩(wěn)定的梭形，說明扁柱的耗能能力較 為理想，試件表現(xiàn)出一定的強(qiáng)度退化，但并不十分明顯，在 下降段強(qiáng)度退化相對明顯；隨著變形的增加，試件剛度退化 越來越嚴(yán)重。對比3個(gè)試件，試件3的軸壓力較試件1, 2 的大，從滯回曲線中可以看出，試件3的延性和耗能能力比 試件1, 2的小。從圖5可以看出，試件1, 2的極限荷載在455 kn左右, 試件3的極限荷載在500 kn左右；曲線在達(dá)到極限荷載后 有一段平滑的過渡段，這說明該試件的延性較為理想。表2為試驗(yàn)所得的主要試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)，其中延性系數(shù)p 按下式計(jì)算式中：au為承載力下

7、降到極限承載力的85%時(shí)對應(yīng)的極限位移；ay為構(gòu)件屈服時(shí)對應(yīng)的位移，按文獻(xiàn)6 中提出的方法確定。3有限元模型3. 1材料模型的選取混凝土材料模型采用abaqus程序的損傷塑性模型7。 混凝土受壓應(yīng)力應(yīng)變曲線選用lgeron等8提出的應(yīng)力應(yīng)變 表達(dá)式，該模型可定量描述箍筋的約束效應(yīng)。筆者通過反復(fù) 試算認(rèn)為，箍筋約束區(qū)的混凝土必須采用約束混凝土的應(yīng)力 應(yīng)變曲線，且約束混凝土極限壓應(yīng)變?nèi)榉逯祽?yīng)力相應(yīng)應(yīng)變 的10倍左右。混凝土受拉應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系采用雙折線簡化形 式，混凝土拉應(yīng)力在達(dá)到單軸抗拉強(qiáng)度fto （此時(shí)的應(yīng)變?yōu)?e to）之前為彈性受拉，剛度取為混凝土彈性模量；之后， 直到混凝土拉應(yīng)變達(dá)到極限拉

8、應(yīng)變£tu之前為線性受拉軟 化段；拉應(yīng)變超過£tu后，混凝土抗拉強(qiáng)度降為0。本文中 取u=0. 001,混凝土受拉骨架曲線見圖6,其中，f為應(yīng) 力，£為應(yīng)變。鋼筋材料模型選用組合強(qiáng)化模型，鋼筋受拉 骨架曲線見圖7,其中fy, fu分別為鋼筋屈服應(yīng)力和極限應(yīng) 力，e h為鋼筋開始硬化的應(yīng)變，e h=4 £ y； e u為鋼筋極 限應(yīng)變，£ u=25 £ y。采用損傷塑性模型進(jìn)行滯回分析時(shí)，最為關(guān)鍵的材料參 數(shù)是混凝土拉、壓損傷因子及剛度恢復(fù)因子的定義。關(guān)于剛 度恢復(fù)因子wc和wt的取值，暫取程序默認(rèn)值1和0。關(guān)于 混凝土拉、壓損傷因子，

9、目前還沒有公認(rèn)的計(jì)算公式。參考 張勁等9及birtel等10的研究，采用式（2）（4）定 義受壓損傷因子de及受拉損傷因子dt,即式中：b為混凝土塑性應(yīng)變與非彈性應(yīng)變的比例系數(shù)，經(jīng)反復(fù)試算， 本文中受壓時(shí)取0.7,受拉時(shí)取0. 95； e pl, £in分別為混 凝土拉（壓）時(shí)的塑性應(yīng)變和非彈性應(yīng)變；ok為混凝土應(yīng) 變?yōu)?#163;時(shí)相應(yīng)的抗拉（抗壓）應(yīng)力，k取t, c分別表示混 凝土拉伸和壓縮狀態(tài)；e0為混凝土初始彈性模量。3.2建模過程扁柱及加載梁混凝土采用c3d8r實(shí)體有限元模擬。鋼筋 采用t3d2桁架單元模擬，將鋼筋單元嵌入混凝土實(shí)體單元 中。根據(jù)試件的破壞情況及考慮到提髙計(jì)

10、算效率，建模時(shí)將 底座梁按固定端處理，而將加載梁混凝土材料定義為彈性。 定義邊界條件時(shí)，建立了參考點(diǎn)和加載梁頂面的運(yùn)動(dòng)耦合約 束，通過約束參考點(diǎn)除豎向及水平以外的其他自由度保證加 載梁不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。圖8為所建立的試件的有限元模型。3.3有限元分析結(jié)果通過圖4中計(jì)算和試驗(yàn)所得荷載位移滯回曲線對比情況 可知，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較吻合，計(jì)算與試驗(yàn)所得的極 限承載力十分接近。從試件1, 2與試件3的滯回曲線來看, 軸壓力的增加將會(huì)提高構(gòu)件的抗剪承載力，但同時(shí)會(huì)造成延 性的損失。通過進(jìn)一步比較可以發(fā)現(xiàn)，計(jì)算得到的荷載位移 滯回曲線的初始剛度偏大，且對試驗(yàn)后期的強(qiáng)度退化及捏縮 現(xiàn)象的模擬還存在一定差異。究

11、其原因，有以下2個(gè)方面： 基于收斂性方面的考慮，試件的保護(hù)層混凝土未能采用素 混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系；鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)滑移效應(yīng) 未能充分考慮。4斜向鋼筋的影響分析本文試件中均配置了斜向鋼筋，但現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(gb 500102010) 11中還未提供關(guān)于斜向鋼筋 的承載力理論計(jì)算公式。下面通過配置斜向鋼筋與不配置斜 向鋼筋的計(jì)算結(jié)果比較斜向鋼筋在混凝土試件滯回分析中 的影響（圖9）。研究發(fā)現(xiàn)：配置斜向鋼筋后試件的極限承載 力分別提高了 10%20%；而滯回曲線的形態(tài)沒有明顯變化， 說明斜向鋼筋對于試件的延性提高并不明顯。5結(jié)語（1）試驗(yàn)結(jié)果表明，模型最后在柱端形成塑性較，可 認(rèn)為構(gòu)件

12、薄弱點(diǎn)在扁柱柱端部位。滯回曲線的反“梭形”及 加載時(shí)水平裂縫的貫通及斜裂縫的發(fā)展說明構(gòu)件的破壞屬 于彎剪型，且以彎曲破壞起控制作用。從滯回曲線中可以看 出，該構(gòu)件的耗能能力較為理想。（2）軸向力增加30%時(shí)，構(gòu)件的極限抗側(cè)承載力提高了 11%;從延性來看，扁柱的延性相對較小，介于普通柱和剪 力墻之間，而且隨著軸向力的增加，構(gòu)件的延性降低。（3）基于abaqus平臺(tái)，建立了該試驗(yàn)的精細(xì)化有限元 模型。通過滯回分析與試驗(yàn)結(jié)果比較，驗(yàn)證了該計(jì)算結(jié)果的 可靠性。斜向鋼筋的配置會(huì)提高構(gòu)件的承載能力，但構(gòu)件的 延性沒有明顯變化。（4）在合理定義混凝土損傷塑性模型參數(shù)的前提下，該模型可以較好地用于混凝土構(gòu)件

13、反復(fù)荷載作用下的計(jì) 分析，但限于該模型本身的問題，如滯回規(guī)則、計(jì)算收斂性 等，更為準(zhǔn)確地計(jì)算模擬還有待于對混凝土損傷塑性模型的 進(jìn)一步完善。參考文獻(xiàn)：1 朱寧萍扁柱結(jié)構(gòu)在高層住宅中的應(yīng)用j.江蘇建 筑，2000, 30 (2)： 15, 23.2 郝守祥，李樹久密扁柱框架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及在小高層 住宅中的應(yīng)用j遼寧建材,2005, 30 (5)： 47.3 張國軍，呂西林高軸壓比扁柱的抗震性能試驗(yàn)研究 j建筑結(jié)構(gòu)，2005, 35 (3)： 5456.4 史慶軒，門進(jìn)杰，喻磊.鋼筋混凝土扁柱恢復(fù)力性 能的試驗(yàn)研究和分析j.防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2007, 27(增): 344349.5 馮慶興，張文改

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16、術(shù)性 科技期刊，由南京水利科學(xué)研究院承辦，國內(nèi)外公開發(fā)行； 主要刊登土力學(xué)、巖石力學(xué)領(lǐng)域中能代表當(dāng)今先進(jìn)理論和實(shí) 踐水平的科學(xué)研究和工程實(shí)踐成果等，報(bào)道新理論、新技術(shù)、 新儀器、新材料的研究和應(yīng)用；主要欄目有論文、短文、工 程實(shí)錄、焦點(diǎn)論壇、學(xué)術(shù)討論和動(dòng)態(tài)簡訊等。歡迎有國家自 然科學(xué)基金項(xiàng)目及其他重要項(xiàng)目研究成果的作者向本刊投 稿，倡導(dǎo)和鼓勵(lì)有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的作者撰稿，并優(yōu)先刊用這些稿 件。巖土工程學(xué)報(bào)被中文核心期刊要目總覽連續(xù)4 版確認(rèn)為核心期刊，并在建筑類核心期刊中排列首位；是中 國科技論文統(tǒng)計(jì)源期刊（中國科技核心期刊），并被評為“百 種中國杰出學(xué)術(shù)期刊”；被中國科技論文與引文數(shù)據(jù)庫、中 國期刊全文數(shù)據(jù)庫和中文科技期刊數(shù)據(jù)庫等多個(gè)國內(nèi)重要 的數(shù)據(jù)庫收錄，并可在中國學(xué)術(shù)期刊（光盤版）、中國期 刊網(wǎng)及本刊網(wǎng)站全文檢索；被美國工程索引（ei compendex）等國際檢索系統(tǒng)收錄。巖土工程學(xué)報(bào)讀者對象為土木建筑、水利電力、交 通運(yùn)輸、礦山冶金、工程地質(zhì)等領(lǐng)域中從事巖土工程及相關(guān) 專業(yè)的科研人員、設(shè)計(jì)人員、施工人員、監(jiān)理人員和大專院 校師生。巖土工程學(xué)報(bào)為