CRB550級鋼筋約束混凝土柱抗震性能研究

田思銘

摘 要：該文主要研究的是CRB550級箍筋的混凝土柱的抗震性能，根據箍筋使用的不同鋼材以及箍筋的直徑、軸壓比和縱筋配筋率等鋼筋混凝土柱試件指標的不同，同時還在低周反復水平荷載的作用下進行模擬靜力試驗，整個研究共配置了3種強度等級，分別為HPB235、HRB335 和CRB550，通過對混凝土柱試件的骨架曲線和能量耗散能力等進行分析和對比，最終結果表明CRB550型的鋼筋能夠滿足材料性能的要求，同時還能達到節省鋼筋使用量，進而節約能源的目的。

關鍵詞：CRB550級鋼筋 混凝土柱 抗震性能

中圖分類號：TU375.3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）07（c）-0026-02

CRB550型冷軋鋼筋是以HPB235鋼筋為原料，通過冷加工制作而成。CRB550級鋼筋具有較高的強度，比HPB235鋼筋的強度提高了約71%，而且根據一些原則設計及構造要求制作后還可以節省30%以上的鋼材，這對于低碳環保和節約能源來說具有重要的意義。目前CRB550級鋼筋主要用于剪力墻中的分布筋，很少作為箍筋，因為抗震規范中對于箍筋具有明確的規定，而且還要按照要求配箍，如果使用CRB550級鋼筋就會造成浪費，對于CRB550級鋼筋約束混凝土柱抗震性能的相關研究可以為CRB550級鋼筋的廣泛使用提供理論基礎。

1 對混凝土柱相關構件的性能指標進行確定

1.1 對試件進行設計以及選取合理的有限元參數

1.1.1 試件設計

在試件設計之前要先確定試驗方案，選擇一定數量的鋼筋混凝土柱試件并進行分組，之后進行低周反復水平荷載的試驗，分別研究箍筋的強度、間距和截面尺寸等相關指標的變化，從而計算CRB550箍筋約束柱所具有的抗震性能。

試件的參數設計如下：使用混凝土強度等級為C30的試件，軸壓比取3種，分別為0.7、0.8和0.9，選取直徑為16 mm和22 mm的HRB335級鋼筋作為縱筋，使縱筋的配筋率保持在1.3%～2.5%的范圍內，箍筋選用HPB235、HRB335和CRB550共3種強度等級的鋼筋材料，間距選擇70～150 mm。

1.1.2 有限元參數的選取

有限元參數的選取分別從網絡劃分、單元選取、邊界條件和加載方式4個方面來考慮。首先，網絡劃分是一種使用纖維單元的方式來對鋼筋混凝土構件進行有限元分析，因此應當對纖維的劃分方式和截面的纖維數目進行合理設置，如果纖維過大的話，網絡劃分的計算結果精確度就會受到影響，若纖維劃分數目較多的話雖然能夠提高計算的精確度，卻很大程度上造成計算成本的增加，引起了不必要的浪費。

其次，該研究單元選取使用的是Nonlinear Beam Column單元，這種單元通過控制截面的抗力和矩陣剛度，并使用Gauss-Lobatto的積分方法，只要已知桿長就能計算出單元截面的抗力和矩陣剛度，并且由此控制剛度的變化。該單元是以柔度法理論為基礎建立而成的，采用的函數不是位移插值函數而是力插值函數，主要原理如下：不管單元分布荷載進行何種變化，假定一個內力分布，桿件在任何狀態下都可以嚴格滿足，因為這是單元控制方程之一的平衡條件。

對于邊界條件來說，由于該研究只限于二維空間上的問題，因此根據有限元模型的試驗條件，將固定端設置為鋼筋混凝土柱試件的根部，根部共有1個轉動自由度以及兩個平動自由度，將這些全部約束住，這樣就可以通過程序的相應命令將根部實現固接。

有限元模型采用的加載方式是低周往復位移控制加載，在試驗過程中，根據試件軸壓比的不同，施加合適的豎向荷載，豎向荷載的10個加載步全部都是采用力控制，在水平力施加時是以屈服位移值為基礎分級進行加倍施加，并每級循環3次，控制每個加載步的位移為0.1 mm。

1.2 混凝土柱構件性能狀態的相關控制準則

構件在不同的狀態下，其性能指標也有所區別，因此抗震設計的方法應當進行嚴格控制?；炷翗嫾诘卣鹱饔玫目简炏戮哂袃蓚€非常重要的性能狀態，分別是承載力和變形極限，也可以稱為屈服狀態和極限狀態。目前抗震規范中對于建筑物的水準有3個要求，分別是小震不壞、中震可修、大震不倒，這也是根據構件本身的受力情況和性能狀態來確定的。構件在達到屈服狀態之前，混凝土由于拉力而開裂，鋼筋也處于彈性受拉的狀態，但此時構件基本是是完好的，因此可以將鋼筋混凝土柱構件此時的狀態作為小震下構件的性能狀態；相反，如果構件遭到了嚴重破壞，承載力急速下降或者彈塑性變形能力到達了極限的情況，此時可以將構件的狀態叫做大震下構件的性能狀態；而中震下構件的性能狀態應該是大震和小震之間的狀態，因此將構件水平力在達到峰值時的狀態視作中震下構件的變形，但是一般情況下，中震下的構件水平力無法達到峰值，因此選取0.9作為一個系數，即水平承載力峰值的塑壓變形情況的0.9倍以及大震狀態下構件變形情況的一半就是中震下構件的塑壓變形的范圍，此時構件的狀態就是中震下對應的狀態。

1.3 選取混凝土柱構件變形指標

在水平荷載作用下，鋼筋混凝土構件的變形度越大，其彈塑性發展情況和破壞程度就會越嚴重，因此混凝土柱構件變形指標采用的是與構件的變形相關的一些變量，這樣可以更好地反映出構件的性能狀態。

2 有關鋼筋混凝土柱試件抗震性能的研究

2.1 對比與分析試件骨架曲線

試件骨架曲線是在低周往復荷載作用下滯回曲線的所有峰值點的連線，大多數情況下，骨架曲線與單調加載時荷載-位移曲線的形狀十分相似。試驗結果表明：在箍筋抗拉強度相等的條件下，CRB550級箍筋混凝土試件由于其直徑較小，因此其力學性能比普通的鋼筋配箍混凝土試件更好，而且其他組的強度和剛度退化情況研究中，也出現了類似的情況。試驗中，有些試件由于縱向鋼筋被拉斷而承載力被大幅度降低，因此得出的骨架曲線在達到極限荷載后出現了大幅度下降，曲線比較陡峭。

2.2 對比與分析試件的能量耗散能力

低周往復加載試驗中可以得出以下結論：（1）隨著控制位移的增大，試件的耗能系數先增大，后減小。（2）試件的耗能系數在1.0～2.0的范圍內，可以看出構件具有良好的耗能性。（3）得出的耗能系數由于試件的屈服位移的不同而不同，但是最終的曲線具有良好的吻合效果，說明CRB550級鋼筋作為箍筋使用是可行的。

2.3 關于CRB550級高強箍筋直徑使用限值提出的有效建議

通過上述的各項研究結果，在對不同強度等級的箍筋試件進行耗能性能、承載力和剛度退化等多種抗震性能進行測試后，可以對CRB550級鋼筋作為箍筋使用時提出一些建議。箍筋的最小直徑應當適當地減小，但是務必要滿足《建筑抗震設計規范》和《混凝土結構設計規范》的要求，同時體積配箍率與箍筋最大間距等指標的確定也要參考相應的標準。

3 結語

通過上述研究對不同鋼材構件的抗震性能分析之后決定采用CRB550級鋼筋來作為混凝土柱箍筋，主要原因是CRB550級鋼筋的直徑比HPB235或HRB335級鋼筋更小，同時這三者之間的承載力、剛度和耗能能力并沒有明顯的區別，而且滿足相應規范各項指標的要求，具有較好的抗震性能。對于CRB550級鋼筋的有效利用能夠有力地減少鋼筋用量，進而達到節省能源的效果。

參考文獻

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