配置高強箍筋混凝土柱承載力數值分析

陰寅宏,楊德健,王玉良

(1.天津城市建設學院土木工程系,天津300384;2.天津市軟土特性與工程環境重點實驗室,天津300384)

近年來,隨著混凝土結構應用領域的不斷擴展,建筑物的特點向更高、跨度更大、荷載更重的方向發展,對混凝土結構的要求相應提高。研究表明[1],使用高強混凝土可以減少受壓構件的截面面積,并且減輕結構自重、節省材料、增加建筑使用空間等。但是混凝土強度越高,脆性越大,對抗震造成不利影響。若使用高強混凝土作為材料,在配置強度較低的普通箍筋時,在地震作用下,混凝土破碎,箍筋屈服,甚至是被拉直,松扣,失去約束作用,而縱向鋼筋被壓屈,向外鼓出呈燈籠狀破壞。但利用高強螺旋箍筋約束高強混凝土可以有效的提高其抗壓承載力,改變其破壞形態,改善其抗震性能,增強其橫向約束作用,保證其有良好的變形和耗能性能。目前研究普通箍筋較多,高強螺旋箍筋還較少,而且試驗方法、試驗儀器與測量手段不統一,因此各個研究分析結果具有一定的適用范圍和局限性。本文將利用大型有限元分析軟件ANSYS對6根配有螺旋箍筋約束高強混凝土軸壓柱進行數值模擬的仿真分析,分析了箍筋強度和箍筋間距對軸壓柱的受力性能、裂縫開展和約束能力的影響,為工程應用提供理論依據。

1 構件設計

試驗構件選取6個200mm×200mm×600mm以及1個150mm×150mm×450mm的螺旋箍筋約束高強混凝土短柱模型,混凝土等級取C80,箍筋和縱筋直徑分別選取6mm和10mm,其中試件7與文獻[2]的試件參數相同,以驗證模型的正確性。試件配筋如圖1所示,試件參數如表1所示。

表1 試件參數Tab.1 Specimen parameters

2 有限元模型建立

2.1 混凝土和鋼筋單元

混凝土采用Solid65單元和專門的材料模型Concrete來實現,鋼筋單元采用Link8單元。考慮到鋼筋和混凝土之間粘結較好,兩者之間不會有相對滑移,故使用分離式模型。

2.2 本構模型

通過分析中外學者提出的幾種有代表性的約束混凝土模型,選用文獻[2-4]提出的多線性等向強化(MISO+Concrete)模型,其應力—應變表達式為

式中fcc、fc—約束與非約束混凝土的峰值強度; εcc、εc—約束與非約束混凝土的峰值應變;fle—約束混凝土達到峰值強度時對應的箍筋有效側向約束力;α—控制曲線初始剛度和上升段的系數;k1、k2—控制曲線下降段坡度和凸凹的系數。

鋼筋為理想彈塑性結構,使用經典的雙線性隨動強化(BKIN)模型[5]。其應力-應變表達式為εs＜εr時,σs=Esεs;當εs=εr時,σs=fs

式中Es—鋼筋的彈性模量;fs—鋼筋的抗拉強度設計值。

3 數值模擬及分析

3.1 實體建模及網絡劃分

按照試件配筋圖及試件參數表,按照自底向上構造實體模型。劃分單元后,取柱的底端為固定段,施加三向約束,在柱頂面上以等位移方式施加荷載。

經過對試件節點的非線性有限元模擬及分析,試件7柱底部峰值應力達到74.5MPa,所對應的應變為4.2×10-3,而文獻[2]中相同試驗構件的應力值和應變值分別為72.4MPa和3.8×10-3,兩者差別不大,即承載力和變形的計算與實驗結果吻合較好,證明模型建立過程正確,作為實際構件的簡化分析其結果是有效可靠的。

3.2 應力-應變關系分析

構件的應力-應變曲線見圖4,由曲線的趨勢可以明顯看出,加載初期,應力應變均成正比遞增,比值約為混凝土的初始彈性模量。隨著荷載的加大,柱開始出現塑性變形,曲線微凸,但由于混凝土的泊松比不是很大,在試件應力未達到素混凝土抗壓強度之前,箍筋未發揮其約束效應,所以在此階段,各個試件的曲線都很相似。繼續施加荷載,混凝土的強度超過素混凝土抗壓強度,箍筋的約束作用開始發揮。此后,各試件的上升段存在明顯的差異,其中試件4很快達到屈服,其峰值應變只達到3.2×10-3左右,而試件5和試件6的曲線非常相似,在應變接近4×10-3時進入屈服階段,峰值應力達到60MPa左右,承載力好于試件4,說明高強度的箍筋較之普通箍筋更能有效地對混凝土進行橫向約束,對提高承載能力有一定作用。試件1峰值應變約為5×10-3,此時處于屈服階段,有下降的趨勢,而同樣配箍率的試件2和試件3,其應力應變曲線雖越發平緩,但卻仍未達到屈服階段,且試件3峰值應力還要略大于試件2,二者均體現出了非常良好的變形能力。總之,從試件中可以看出,當配箍率相同時,配有高強箍筋約束的混凝土柱,其承載力明顯高于配置普通箍筋的混凝土柱;而密排箍筋,混凝土柱的峰值強度有著非常明顯的提高,且當密排箍筋為高強度箍筋時,其變形能力能夠達到最佳,這與以往的實驗研究比較吻合。

4 構件裂縫的開展分析

通過對6個構件的分析,選取試件2和試件5的裂縫圖(見圖5)進行分析。

混凝土作為一種脆性材料,其塑性變形是材料內部裂紋不斷發生、發展而積累的過程,其在承受軸壓荷載產生壓縮變形的同時,將產生橫向的拉伸變形。在混凝土開裂以后,由于軸向裂縫的不斷擴展、累積而使橫向變形急劇增長,而鋼筋混凝土的約束作用主要由螺旋箍筋提供,加密螺旋箍筋可以增大對混凝土的橫向約束,形成較強的套箍效應。套箍效應以箍筋屈服時的配箍特征值λv=ρwfy/fc表示,其中 λv又稱套箍指數,ρw為體積配箍率,fy為箍筋屈服強度,fc為混凝土抗壓強度,λv值愈大,則套箍效應愈強。套箍約束作用主要發生在荷載接近素混凝土峰值壓應力以后,并伴隨混凝土縱向開裂及橫向變形的增加而不斷增長。因此,當混凝土強度增加使 λv值降低時,使用密排高強螺旋箍筋可以彌補 λv值降低造成的影響,有效的約束混凝土的橫向變形,阻止裂縫向核心混凝土發展,延緩試件的破壞[6-9]。

通過觀察試件2的裂縫圖可知,在試件接近于破壞荷載之前,最初在邊緣處出現幾條豎向裂縫,裂縫較長且連續對稱分布。隨著壓應力的增長,出現越來越多的縱向貫通裂縫,并且不斷的向核心區發展,繼而是外邊緣混凝土慢慢的剝落,但是由于核心區混凝土得到密排螺旋箍筋的強有力的橫向約束,裂縫的開展得到了控制,后期核心區混凝土橫向裂縫并無貫通,且沒有斜裂縫出現。

對于配箍率較小的試件5,加載過程中首先出現多條豎直不連續的裂縫,與主壓應力方向平行,裂縫分布比較均勻,隨著壓應變的不斷增長,外圍混凝土逐漸剝落,后期部分核心區混凝土由于得不到足夠有效的套箍約束而出現裂縫貫通的現象。以上兩個試件的裂縫發展現象與文獻[6]的理論分析大致吻合。

5 箍筋約束機理的探討

矩形螺旋箍筋混凝土柱在軸向壓力作用下,核心混凝土發生橫向變形,箍筋因核心混凝土的向外擠壓而承受拉力,核心混凝土則受到螺旋箍筋的橫向約束作用而處于三軸受壓狀態。而實際上高強螺旋箍筋與普通箍筋相比是對混凝土柱提供了一系列更有效的彈性支撐,增加結構剛度,從而使得強度提高;當發生第一次失穩后,若能控制荷載,結構將處于隨遇平衡狀態。對于不同的箍筋強度和間距,所提供的彈性支撐的剛度是不同的,因而影響也不相同[6]。

5.1 箍筋強度對試件約束能力的影響

圖6(a)(b)分別為試件1和試件2在峰值應力(極限承載力)時箍筋應力最大截面(柱高中部)的應力分布圖和截面中部沿柱高方向箍筋應力分布圖。

由圖6可以看出,在達到極限荷載時,試件邊長中部的箍筋應力值均高于角部,這是由于邊長中部較角部抗彎剛度較小,對于混凝土的橫向約束較小,從而使混凝土側向變形較大,箍筋應力較大;而沿柱高方向看,柱兩端受到強有力的約束,而中部截面混凝土橫向變形較大,致使靠近中部截面箍筋應力遠大于兩端。

通過分析圖4和圖6可知,在極限荷載時,配置箍筋強度為350MPa的試件其箍筋截面應力大多已進入屈服階段,而配置箍筋強度為1 150MPa的試件其箍筋則遠未達到屈服,此時混凝土繼續膨脹變形,低強度箍筋由于屈服已不能夠提供有效的橫向約束,試件1應力—應變曲線在達到60MPa左右時即達到峰值應力進入屈服階段,并伴隨有下降的趨勢;試件2由于配置高強箍筋則遠未達到屈服,仍然可以發揮其自身的優勢,對混凝土提供有效的側向約束,而且由于套箍作用較強,有效保護了縱筋,防止其過早壓屈,其應力—應變曲線在達到峰值應力后仍然有上升的趨勢,顯著的提高了混凝土柱的承載力和變形能力[10-11]。

5.2 箍筋間距對試件約束能力的影響

圖7(a)(b)分別為試件2和試件5在峰值應力(極限承載力)時箍筋應力最大截面(柱高中部)的應力分布圖和截面中部沿柱高方向箍筋應力分布圖。

由圖7可知,隨著箍筋間距的減小,箍筋應力沿截面邊長分布和沿柱高方向分布都更加大且均勻。試件2和試件5雖然都配置高強度箍筋,但前者由于配箍率較大,套箍作用較強,在極限荷載時,箍筋能夠提供更大的約束反力來抑制混凝土的橫向變形,而使應力—應變曲線在達到極限荷載時仍能有小幅度的上升趨勢。試件5由于箍筋間距較大,在柱高中部混凝土側向膨脹變形時難以對其提供更為有效的橫向約束,應力達到60MPa時曲線即進入屈服段,此時箍筋應力較小,并沒有充分發揮其高強度的優勢。總之,單純的提高螺旋箍筋強度并不能抵消配箍率的下降對混凝土軸壓柱承載力的影響,配置密排高強螺旋箍筋能夠達到最好的效果。

6 結論

1)在混凝土軸壓柱中配置高強螺旋箍筋并減小箍筋間距可以對核心混凝土形成有效的套箍作用,增大對混凝土的橫向約束作用,防止裂縫向核心區開展。

2)配置高強度密排的螺旋箍筋較之低強度的箍筋可以有效的發揮其自身優勢,避免過早屈服,有效抑制混凝土的側向膨脹壓碎,提高了混凝土軸壓柱的承載力和峰值應變。

3)當配筋率較低時,提高鋼筋混凝土軸壓柱中的縱筋強度,對高配箍率軸壓柱的整體的承載力和變形能力略有提高,對配箍率較低混凝土柱則沒有明顯的影響。

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