高強約束混凝土偏壓構件受力性態研究

楊德健，張紀剛，常 沙（天津城建大學 土木工程學院，天津 300384）

?

土木工程

高強約束混凝土偏壓構件受力性態研究

楊德健，張紀剛，常 沙
（天津城建大學 土木工程學院，天津 300384）

建立了高強混凝土偏壓柱有限元數值模型，分析了箍筋的間距及配箍形式對構件核心區混凝土應變及承載力的影響.結果表明，混凝土的延性和變形受箍筋強度的影響，成較為顯著的正相關.高強箍筋在構件破壞階段具有較高的安全貯備，可對核心區混凝土提供有效約束，但在正常使用狀態下箍筋間距和配箍形式對構件延性的影響更大.

高強箍筋；偏心受壓；箍筋間距；箍筋形式

我國的《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）［1］將400，MPa，500，MPa級的鋼筋作為主導鋼筋，同時將強度等級為C60-C80的高強混凝土列入規范，推薦在結構設計中盡量采用高強材料，提高建筑材料的性價比和使用效率.近年來一些高層建筑和橋梁結構中高強材料得到了使用，但高強綱筋和高強混凝土的用量占建筑材料總體用量的比例仍然很低.葉列平、陸新征［2］指出造成高強材料在實際中應用不足的主要原因是關于高強材料的理論研究過于滯后，隨著我國經濟的快速發展，實際的需求使得此類研究迅速在各個地區展開，許多學者近些年對此類問題也做了諸多的研究，取得了諸多的成果［3-7］.

在實際建筑工程中，很少見到絕對的軸心受壓構件，由于材料的不均勻、荷載作用偏離軸心、施工等因素，偏心受壓為軸向構件的主要受力方式，結構中多數的柱都是偏心受壓構件，此類問題目前研究較少.本文采用有限元數值模擬分析，從混凝土應力應變、混凝土承載力和箍筋應力應變入手，研究高強約束構件在偏心受壓荷載的作用下高強箍筋對承載力的影響.

1 偏壓構件模型設計

本文采用有限元軟件ANSYS進行數值模擬，采用構件1作為驗證構件，構件尺寸為150，mm× 150，mm×450，mm，混凝土強度C80，高強箍筋強度為1，120，MPa，直徑為6.5，mm，箍筋間距為50，mm，縱筋直徑為8，mm，配筋形式如圖1所示.

采用分離式模型，混凝土采用SOLID65單元，鋼筋采用LINK8三維桿單元，剛性墊塊為三維8節點實體SOLID45單元.混凝土采用Willam-Warnke五參數破壞準則和Von Mises屈服準則，選用多線性等向強化模型MISO，其應力-應變關系采用孫軍華，干剛征［8］提出的高強箍筋約束高強混凝土的應力-應變曲線表達式，見式（1）至式（4）.

式中：k1與k2分別為控制曲線下降段坡度和凸凹的系數.

式中：fc0與fcc分別為非約束與約束混凝土的峰值強度；fle為約束混凝土達到峰值強度時對應的箍筋有效側向約束力.

式中：εc0為非約束混凝土的峰值應變.

混凝土的MISO模型如圖2所示.鋼筋采用雙線性隨動強化模型BIKN.

圖1 構件尺寸和截面配筋形式

圖2 混凝土的MISO模型

混凝土和鋼筋采用分離式模型進行數值建模，首先創建縱筋的模型，按由下而上建模順序建模，并進行映射網格劃分，縱筋單元長度為50，mm.箍筋建模方法同縱筋，單元長度為30，mm，鋼筋模型如圖3所示.混凝土模型采用自上而下進行建模，并進行單元網格劃分，鋼筋與混凝土共用節點，模型一端設為固定端，用位移加載方式在另一端施加面荷載，混凝土模型如圖4所示.數值分析得出構件1的混凝土應力-應變曲線，并與試驗結果進行對比（見圖5），兩曲線擬合較好，試驗和模擬所得混凝土最大應力值分別為69.50，MPa，69.35，MPa，最大應力對應的應變分別為0.003，43，0.003，12，誤差均在10%，以內，采用此數值模型對構件分析的結果相對有效.

圖3 鋼筋有限元模型

圖4 混凝土有限元模型

圖5 有限元分析結果與試驗結果

2 高強約束混凝土柱偏心受壓性態分析

2.1 箍筋間距對構件承載力和延性的影響分析

為研究構件承載力和變形受到箍筋間距的影響程度，采用箍筋的間距分為25，mm，50，mm，75，mm三種形式，保持縱向鋼筋強度、混凝土強度等級、配筋率和箍筋強度不變，箍筋形式采用普通形式A和復合形式B兩種作為對比（見圖6），作用荷載分為大偏心和小偏心荷載，構件截面尺寸為300，mm×300，mm，柱高為750，mm，保護層厚度為25，mm.構件的具體參數見表1.

表1 構件設計參數

圖6 截面配筋形式

2.1.1 混凝土應力-應變及荷載分析

圖7 構件1-3核心區混凝土應力-應變曲線

圖8 構件1-3荷載-位移曲線

采用復合箍筋，取構件高中部核心區混凝土單元為研究對象，將構件1-3混凝土單元的應力-應變曲線繪制在同一坐標系中（見圖7）.由圖7可知，混凝土應力-應變曲線峰值隨箍筋間距的減小而增大，最大應力分別增加了7.39，MPa和12.83，MPa.故采用復合箍筋時，改變箍筋間距可以有效提高構件的最大應力和應變，提高了構件的變形能力.將荷載-位移曲線繪制在同一坐標系中（見圖8），由圖8可知，隨著箍筋間距的減小，構件混凝土達到最大應力時施加的荷載值不斷增加，荷載值依次增加了838.61，kN和614.42，kN，改變箍筋間距可以有效提高構件的承載力.

采用普通形式的箍筋，同樣可以得出結論：減小箍筋間距，可以提高構件的變形能力，有效提高構件的承載能力.

2.1.2 箍筋應力分析

取構件高中部受壓側箍筋單元為研究對象，分析構件1-3由于箍筋間距改變對箍筋荷載-應變曲線的影響，將各曲線繪制在同一坐標系中（見圖9）.各曲線變化相差不大，主要區別在于構件混凝土達到最大應力時，曲線所對應的荷載和應變數值不同，當箍筋間距為25，mm，50，mm，75，mm時，箍筋應變數值最大分別為0.002，8，0.001，9，0.001，4.箍筋間距減小，箍筋的應變數值增大，說明箍筋發揮的約束作用越強.采用小間距的箍筋，箍筋對構件的約束作用好，箍筋的應力值高.通過對箍筋間距分別為25，mm，50，mm，75，mm的構件進行數值分析可得出，減小箍筋間距，實際增大了箍筋對混凝土的約束面積，使箍筋對混凝土的約束加強，三組構件后者與前者相比荷載值分別提高了11.73%，和11.14%，.

圖9 構件1-3荷載-箍筋應變曲線

3根構件在混凝土峰值時高中部截面的應力分布見圖10，由圖10分析結果表明，在構件到達極限承載力狀態時，箍筋應力遠未達到其極限強度，表明箍筋尚具有較高的安全儲備，能夠為進入破壞階段的混凝土提供有效約束，進而提高構件的延性.此時高強箍筋將發揮普通箍筋不可替代的作用.

圖10 箍筋應力分布

2.2 箍筋形式對構件承載力和延性的影響

研究箍筋形式的變化對構件承載力和變形的影響，采用普通A和復合B兩種形式，固定縱向鋼筋強度、混凝土強度等級、配筋率和箍筋強度，作用荷載偏心距為30，mm和150，mm兩種，分別采用箍筋間距為75，mm和50，mm兩種，進行對比分析，構件的具體參數見表2.

表2 構件設計參數

2.2.1 混凝土應力-應變及承載力分析

取構件高中部核心區混凝土單元為研究對象，當為小偏心時，采用復合形式箍筋的構件混凝土單元應力-應變曲線的最大應力和對應的峰值是采用普通形式箍筋構件混凝土最大應力、應變的1.12倍和1.66倍.當為大偏心時，采用復合形式箍筋的構件混凝土單元應力-應變曲線的最大應力和對應的峰值是采用普通形式箍筋構件混凝土最大應力、應變的1.10倍和1.44倍，如圖11-12所示.

圖11 構件1-2核心區混凝土應力-應變

圖12 構件3-4混凝土應力-應變

改變箍筋間距，同樣使用A、B兩種箍筋形式進行驗證，所得結果同箍筋間距為75，mm時的結果，即無論是在小偏心荷載還是大偏心荷載作用下，使用復合形式箍筋可以提高構件混凝土的最大應力和峰值應變，增加混凝土的變形能力.

圖13 構件1-4荷載-位移曲線

繪制構件1-4荷載-位移曲線（見圖13），由圖13可知在小偏心荷載作用下，普通形式的箍筋在混凝土達到最大壓應力時，施加的荷載值為4，389.51，kN.復合形式的箍筋施加的荷載值為5，239.75，kN，是普通形式箍筋構件荷載值的1.19 倍.將偏心距增加到150，mm，混凝土達到最大壓應力時，配置普通形式箍筋和配置復合形式箍筋的構件施加的荷載值分別為1，761.47，kN和2，212.65，kN，后者荷載值是前者的1.26倍.改變箍筋間距，將模擬結果進行對比分析，所得結論和箍筋間距為75，mm時結論一致，即無論是在小偏心荷載還是大偏心荷載作用下，采用復合形式的箍筋能夠很好地提高構件的承載能力.

2.2.2 箍筋應力分析

取構件1-4高中部箍筋單元，研究箍筋單元的荷載-應變曲線（見圖14）.由圖14可知，改變箍筋形式對于大、小偏心受壓的構件，箍筋的應力變化速率不隨箍筋的形式發生改變.但是采用復合形式的箍筋構件中箍筋的應變比采用普通形式箍筋構件的應變大.小偏心受壓時，普通形式箍筋和復合形式箍筋構件中箍筋的應變分別為0.000，702和0.001，387，復合形式箍筋是普通形式箍筋應力的1.976倍；大偏心受壓時，復合形式箍筋是普通形式箍筋應力的1.679倍；采用復合形式的箍筋，使其接觸面積增大，提高了箍筋對混凝土的約束能力.

圖14 構件1-4箍筋荷載-應變曲線

3 結 論

本文分析了配置高強箍筋的高強混凝土偏壓柱受力性態及影響因素，得出如下主要結論.

（1） 適當的縮短箍筋間的間距是提高承載力的有效手段.對于間距為25，mm，50，mm，75，mm的三種形式，以上構件間距每縮短25，mm，承載力將會有11%，左右的提高，其效果變換明顯.

（2） 相比于箍筋間距，改變箍筋形式使箍筋與核心區混凝土有了更充分的接觸，大大增加了箍筋與混凝土的咬合面積，在不改變箍筋位置的前提下大幅度提高了構件性能.如本文A、B兩種形式，B種復合形式構件其荷載提高20%，左右，箍筋應力提升60%，以上，能夠充分發揮箍筋的約束能力.

（3） 高強箍筋對構件約束的影響主要通過箍筋間距和箍筋形式，而高強箍筋的強度對構件的約束，只能在構件倒塌破壞時有明顯體現.

［1］ 混凝土結構設計規范：GB50010—2010［S］.

［2］ 葉列平，陸新征. 高強高性能工程結構材料與現代工程結構及其設計理論的發展［C］// 第一屆結構工程新進展國際論壇文集.北京：中國建筑工業出版社，2006：208-250.

［3］ 郭獻忠. 區域約束高強混凝土軸心受壓短柱的非線性分析研究［D］. 貴州：貴州大學，2006：64-65.

［4］ 史慶軒，楊 坤，白力更，等. 高強箍筋約束高強混凝土柱抗震性能試驗研究［J］. 土木工程學報，2011，44（12）：9-17.

［5］ 趙 東. 高強箍筋約束混凝土偏心受壓構件試驗及非線性分析［D］. 西安：西安建筑大學，2008：53-54. ［6］ 李 坤. 不同強度等級混凝土梁柱節點承載力實驗研究［D］. 合肥：合肥工業大學，2004：47-48.

［7］ 史慶軒，楊 坤，劉維亞，等. 高強箍筋約束高強混凝土軸心受壓力學性能試驗研究［J］. 工程力學，2012，29（1）：141-149.

［8］ 孫軍華，干 鋼. 高強約束混凝土梁截面的延性計算［J］. 工業建筑，2001，31（12）：43-46.

Research on Stress Performance of Confined High-strength Concrete Eccentric Compression Member

YANG Dejian，ZHANG Jigang，CHANG Sha
（School of Civil Engineering，TCU，Tianjin 300384，China）

A high strength concrete column bias finite element numerical model is established， and the influence of the reinforcement spacing of stirrups and form on the strain and bearing capacity of core concrete of components is analyzed. The results show that the ductility and deformation of the concrete are influenced by the strength of the stirrup， and are positively correlated. With high security reserves， high-strength stirrup in component failure stage can improve the core concrete effective constraint， but under the normal operation condition the reinforcement and stirrup spacing form have a greater influence on component ductility.

high-strength stirrup；eccentric compression；stirrup spacing；stirrup form

材料科學與工程

TU375

A

2095-719X（2016）02-0104-05

2015-04-23；

2015-05-06

楊德健（1962—），男，天津人，天津城建大學教授，博士.