鋼板網加固大尺寸RC短柱受力性能有限元分析

賈 磊，解詠平，楊曉宇

河北地質大學 勘查技術與工程學院，河北 石家莊 050031

隨著高層建筑的增多，大尺寸鋼筋混凝土短柱也被頻繁的應用[1]。大量的震害表明，框架短柱的剪切破壞現象比較嚴重[2-4]，有研究指出，隨著截面尺寸的增加，短柱的承載力和延性明顯降低[5-7]。為了提高短柱的抗震性能，論文提出了鋼板網加固鋼筋混凝土的方法，并通過有限元軟件ABAQUS對其進行了受力性能分析，以研究鋼板網對大尺寸鋼筋混凝土短柱的加固效果。

一、 試件設計

本次共設計了3個剪跨比為2的試件，截面尺寸為500 mm×500 mm；軸壓比為0.6；混凝土強度等級取C60；縱筋采用HRB400級鋼筋；箍筋采用HPB300級鋼筋；鋼板網的厚度取兩種類型1 mm和2 mm。試件配筋為圖1的形式，其它設計參數見表1所示，c為混凝土保護層厚度。

表1 試件的主要設計參數

二、有限元模型的建立

（一）單元分析

混凝土單元采用二階縮減積分三維實體單元C3D8R，鋼筋單元采用T3D2桁架單元（Truss Element）。

（二）材料的本構模型[8]

混凝土受拉及受壓時的本構關系見圖1。

圖1 混凝土的本構關系

鋼筋的應力—應變關系曲線采用二折線的彈性強化模型，鋼筋屈服后應力—應變關系被簡化為較平緩的斜直線，斜率取Es=0.01Es，截面邊長為300 mm柱的鋼筋本構模型見圖2所示。鋼板網楊氏模量20000 N/mm2，泊松比0.3。鋼板網樣式見圖3，規格尺寸見表1。

圖2 鋼筋的本構關系

圖3 鋼板網的樣式圖

（三） 模型的建立與求解

試件采用全模型建模，邊界條件及網格劃分見圖4。加載過程分為兩步，第一步在柱頂施加恒定的軸向壓力，第二步在水平方向施加水平荷載，并采用位控加載。

圖4 有限元模型

三、模擬結果與分析

（一）破壞狀態分析

試件的等效塑性應變云圖如圖5所示。從應變云圖中可以看出，鋼板網加固高強混凝土短柱的損傷程度與未被鋼板網加固的高強混凝土短柱相比，被加固部位混凝土的損傷程度減弱。

圖5 等效塑性應變云圖與試件破壞狀態

（二） 荷載-位移曲線分析

圖6給出了鋼板網加固混凝土短柱試件在單調加載下的荷載—位移曲線。由曲線可知，鋼板網加固的混凝土短柱的屈服荷載和峰值荷載均大于未被鋼板網加固的混凝土柱；試件的峰值荷載有較大的提高，極限變形也有相應的增長。

（三）鋼筋受力分析

圖7為鋼筋應力云圖。從鋼筋應力云圖可以看出，鋼板網高強混凝土試件在單調荷載作用下，箍筋發生屈服，隨著荷載的不斷增加，鋼板網最終被破壞。鋼板網的加固在一定程度上減少了箍筋的屈服，對保證高強混凝土柱延性具有有利作用，使高強混凝土短柱結構性增強。

圖7 縱筋、箍筋、鋼板網應力云圖

四、結論

通過建立有限元模型對3個截面尺寸為500 mm×500 mm的鋼筋混凝土短柱進行了單調加載分析，結果表明：

1. 同大尺寸混凝土短柱的模型相比，鋼板網加固混凝土短柱的承載能力高于同條件的混凝土短柱。其他參數不變的情況下，增加鋼板網約束不僅能提高試件的最大承載力，也能增加試件的極限位移及延性。

2. 隨著鋼板網厚度的增大，抗剪承載力和位移延性系數不斷增加。

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