高強箍筋混凝土柱的耗能性能*

萬海濤， 侯文彬， 禹鈿龍

(河南大學(xué) 土木建筑學(xué)院， 河南 開封 475004)

隨著現(xiàn)代社會進步和經(jīng)濟發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)正朝著超高層、超大層的方向發(fā)展，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)目前在高層建筑中應(yīng)用較廣，柱構(gòu)件是鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件，柱構(gòu)件的性能對結(jié)構(gòu)整體的抗震性能有著重要影響.在國家當(dāng)前可持續(xù)發(fā)展和推廣綠色建筑的背景下，在結(jié)構(gòu)中推廣使用高強度、高性能鋼筋有利于降低資源消耗，保護生態(tài)環(huán)境.目前，國家正在大力推廣高強鋼筋，但CRB550級鋼筋在抗震結(jié)構(gòu)構(gòu)件中還很少使用，因此，有必要對CRB550級高強箍筋混凝土柱構(gòu)件的抗震性能進行研究，為高強鋼筋的應(yīng)用推廣工作提供參考.

Wang等[1]配制了5個配置HRB600級增強鋼筋的活性粉末混凝土節(jié)點試件，結(jié)果表明，HRB600級鋼筋的配置減輕了破壞，降低了強度退化和剛度退化，減少了殘余變形，提高了變形能力和耗能能力；孫雙喜[2]試驗了8根縱筋和箍筋均為1420級PC鋼棒的高強混凝土短柱，結(jié)果表明，配置高強鋼棒后構(gòu)件的承載力和變形能力均有所提高；劉倫等[3]通過對8根配置CRB600H級高強箍筋柱和1根配置HRB400級普通箍筋柱進行低周往復(fù)加載試驗，分析了高強箍筋混凝土柱的抗震抗剪性能，結(jié)果表明，CRB600H級高強箍筋柱與HRB400級普通箍筋柱相比，抗剪承載力差異不大，但前者具有更好的延性和極限變形能力；劉佳妮等[4]分析了含箍特征值和箍筋形式對CRB600H級高強箍筋框架梁抗震抗剪性能的影響，結(jié)果表明，含箍特征值較高的構(gòu)件，其承載力和變形能力較高，耗能能力較低，箍筋形式對抗剪承載力和變形能力影響不大，箍筋肢數(shù)多的構(gòu)件耗能能力較高.

對5根軸壓比為0.9的配置不同箍筋的混凝土柱構(gòu)件進行低周往復(fù)加載試驗，并使用有限元軟件ABAQUS對柱構(gòu)件進行數(shù)值模擬，將5根鋼筋混凝土柱構(gòu)件的模擬結(jié)果與試驗的破壞形態(tài)、骨架曲線進行對比，驗證了有限元模擬結(jié)果的可靠性.通過調(diào)整縱筋及箍筋直徑、配箍間距、柱截面尺寸等參數(shù)設(shè)計并模擬了8根柱構(gòu)件，從延性性能和耗能性能兩個方面分析評價了RC柱構(gòu)件的抗震性能，為CRB550級高強鋼筋在中國的推廣及應(yīng)用提供一定的參考.

1 試驗及有限元模擬概況

1.1 試件設(shè)計

為了研究柱構(gòu)件受力的最不利情況，柱構(gòu)件的軸壓比全部選用《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2010)[5]中規(guī)定的0.90.柱構(gòu)件截面尺寸分別為350 mm×350 mm與300 mm×300 mm兩種，縱筋選用直徑為16、22 mm的HRB400級鋼筋，箍筋選用直徑為10、12 mm的HRB400級鋼筋與直徑為7.5、9.5 mm的CRB550級鋼筋，采用對稱配筋，柱構(gòu)件的詳細參數(shù)如表1所示.混凝土強度等級為C30，混凝土保護層厚度為40 mm，按照《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50152-2012)[6]對混凝土進行取樣并測試其強度，測得混凝土強度值如表2所示.按照《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》(GB/T 228.1-2010)[7]對鋼筋進行拉伸試驗，測得鋼筋強度參數(shù)如表3所示.柱構(gòu)件通過基礎(chǔ)梁固定，基礎(chǔ)梁尺寸為1 200 mm×600 mm×500 mm.

表1 柱構(gòu)件參數(shù)Tab.1 Parameters of column components

表2 混凝土強度參數(shù)Tab.2 Parameters of concrete strength (N·mm-2)

1.2 有限元模型建立

使用有限元軟件ABAQUS對上述5根柱構(gòu)件進行模擬，通過試驗結(jié)果與有限元軟件ABAQUS模擬結(jié)果之間的對比，來驗證有限元模擬的準(zhǔn)確度及可靠性，再通過調(diào)整縱筋及箍筋直徑、配箍間距、柱截面尺寸等參數(shù)設(shè)計模擬了8根柱構(gòu)件.所有模擬的柱構(gòu)件參數(shù)如表4所示.

表3 鋼筋強度參數(shù)

表4 柱構(gòu)件模型參數(shù)Tab.4 Parameters of column component model

鋼筋混凝土柱構(gòu)件建模時使用分離式模型，混凝土為三維實體單元C3D8R，鋼筋為三維桁架單元T3D2，如圖1所示.混凝土本構(gòu)采用混凝土損傷塑性模型，泊松比為0.2.由于本試驗研究不同等級箍筋的性能差異，故CRB550級高強鋼筋采用雙斜線本構(gòu)模型，HRB400級鋼筋采用理想彈塑性模型，泊松比均為0.3.結(jié)合計算精度與運算時間要求，鋼筋混凝土柱構(gòu)件的網(wǎng)格尺寸設(shè)置為50 mm.

圖1 各部件單元圖Fig.1 Unit diagram of each component

2 試驗結(jié)果與模擬結(jié)果對比

2.1 破壞形態(tài)對比

圖2為柱構(gòu)件B-1-2M的受壓應(yīng)變云圖與柱構(gòu)件B-1-2的試驗破壞形態(tài)圖.將有限元模擬的應(yīng)變云圖與柱構(gòu)件低周往復(fù)加載試驗的破壞形態(tài)圖進行對比，可以發(fā)現(xiàn)模型底部兩側(cè)出現(xiàn)紅色區(qū)域，表明發(fā)生破壞.同時觀察發(fā)現(xiàn)紅色區(qū)域的網(wǎng)格出現(xiàn)一定程度的拉長，說明此處產(chǎn)生了很大的破壞應(yīng)變，如圖2a所示，與柱構(gòu)件的破壞形態(tài)圖2b吻合.圖2b中，柱構(gòu)件發(fā)生了彎曲破壞，在加載初期出現(xiàn)了水平裂縫且隨著荷載增大逐漸變寬，加載后期產(chǎn)生了少量的斜裂縫，最終構(gòu)件底部和兩側(cè)混凝土被壓碎，鋼筋裸露.

圖2 B-1-2M受壓應(yīng)變云圖與B-1-2破壞形態(tài)Fig.2 Compressive strain nephogram of B-1-2M and failure mode of B-1-2

2.2 骨架曲線對比

圖3 B-1-2與B-1-2M骨架曲線對比Fig.3 Skeleton curve comparison of B-1-2 and B-1-2M

3 柱的耗能性能分析

3.1 延性性能分析

(1)

式中：Δu為試件的極限位移；Δy為試件的屈服位移.μ越大則構(gòu)件能夠產(chǎn)生的塑性變形就越大，地震對結(jié)構(gòu)的影響就越小.為了保證高層建筑具有足夠的抗震性能，一般要求結(jié)構(gòu)的延性系數(shù)μ>3.

表5 柱構(gòu)件特征數(shù)據(jù)及延性系數(shù)Tab.5 Characteristic data and ductility coefficient of column components

由表5可以看出：1)所有柱構(gòu)件的延性系數(shù)均大于3，符合抗震規(guī)范要求，表明高強箍筋混凝土柱構(gòu)件和普通箍筋混凝土柱構(gòu)件都具有良好的延性性能.2)按照等強度原則，構(gòu)件A-1-1M布置了直徑為10 mm的HRB400級箍筋，構(gòu)件A-1-2M布置了直徑為7.5 mm的CRB550級高強箍筋，后者的箍筋配筋率比前者降低了0.72%，但荷載值和位移值相近，高強箍筋混凝土柱構(gòu)件的延性系數(shù)比普通箍筋混凝土柱構(gòu)件的提高了0.9；構(gòu)件B-1-1M與構(gòu)件B-1-2M的荷載值和位移值相近，后者延性系數(shù)稍大，表明使用較小直徑的CRB550級高強箍筋替代較大直徑的HRB400級普通箍筋后，鋼筋混凝土柱構(gòu)件的延性性能會有一定程度的提高.3)對于箍筋種類和直徑相同的柱構(gòu)件，如構(gòu)件A-1-1M和構(gòu)件A-2-1M，前者的延性系數(shù)為4.0，后者為3.7，說明提高柱構(gòu)件的縱筋配筋率后延性性能會降低，原因是構(gòu)件的縱筋配筋率提高后剛度增強，延緩了構(gòu)件屈服，而極限狀態(tài)基本沒有發(fā)生變化，最終導(dǎo)致延性系數(shù)降低，其余構(gòu)件如A-2-2M的延性系數(shù)比A-1-2M降低了26.5%，構(gòu)件A-2-3M的延性系數(shù)比A-1-3M降低了15.6%，構(gòu)件B-2-1M的延性系數(shù)比B-1-2M降低了12.5%，構(gòu)件B-2-2M的延性系數(shù)比B-1-3M降低了15.9%.4)B組縱向鋼筋直徑為16 mm的HRB400級鋼筋柱構(gòu)件中，配置同一種箍筋的鋼筋混凝土柱構(gòu)件延性系數(shù)會隨著箍筋間距的減小和強度的增強而提高，但效果不明顯.

3.2 耗能能力分析

結(jié)構(gòu)的耗能能力是評價其抗震性能的重要指標(biāo)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)作為彈塑性結(jié)構(gòu)，在地震作用時能夠吸收地震傳遞的能量.結(jié)構(gòu)在反復(fù)荷載作用下，加載時吸收的能量與卸載時釋放能量的差值就是構(gòu)件在一個循環(huán)加載過程中能量耗散能力，在滯回曲線中表現(xiàn)為滯回環(huán)包圍的面積，如圖4所示.吸收或者耗散的能量越大，結(jié)構(gòu)的抗震性能越好.

圖4 滯回環(huán)面積示意圖Fig.4 Schematic diagram of hysteretic loop area

評價結(jié)構(gòu)的能量耗散能力主要有能量耗能系數(shù)E和等效黏滯阻尼系數(shù)ξeq兩種指標(biāo)，計算公式為

(2)

(3)

使用數(shù)據(jù)處理軟件Origin對滯回曲線上各滯回環(huán)進行數(shù)值積分運算，得到構(gòu)件滯回環(huán)包圍的面積，總滯回耗能是各滯回環(huán)包圍面積的總和，如表6所示.由于各構(gòu)件的屈服、峰值、極限三個狀態(tài)點的荷載值與位移值各不相同，加載級數(shù)不同，為了能夠采用同一標(biāo)準(zhǔn)對各柱構(gòu)件的滯回耗能性能進行對比分析，將總滯回耗能除以構(gòu)件的屈服荷載和屈服位移之積，進行歸一化無量綱處理.

表6 柱構(gòu)件的滯回耗能Tab.6 Hysteretic energy dissipation of column components

注：Py為試件的屈服荷載.

從表6中可以看出：1)隨著加載級數(shù)的增加，每級滯回耗能增長率在臨近破壞時有下降趨勢.截面尺寸較大的A組構(gòu)件滯回耗能明顯高于截面尺寸小的B組構(gòu)件.2)對比三組柱構(gòu)件A-1-1M和A-1-2M、A-2-1M和A-2-2M、B-1-1M和B-1-2M發(fā)現(xiàn)，按照等強度原則分別配置了CRB550級箍筋和HRB400級箍筋的混凝土柱構(gòu)件歸一化總滯回耗能值相近，都具有良好的能量耗散能力.

在低周往復(fù)加載試驗過程中，鋼筋混凝土柱構(gòu)件會出現(xiàn)強度和剛度上的退化，這種現(xiàn)象會對柱構(gòu)件滯回環(huán)面積的大小產(chǎn)生影響.為了表達構(gòu)件的這個特征，在現(xiàn)代工程抗震中采用等效黏滯阻尼系數(shù)ξeq來評價構(gòu)件在地震作用中耗能性能的好壞.構(gòu)件的等效黏滯阻尼系數(shù)ξeq越大，其耗能性能就越好.所有模擬柱構(gòu)件各級加載循環(huán)的等效黏滯阻尼系數(shù)變化情況如圖5所示.

圖5 柱構(gòu)件的等效黏滯阻尼系數(shù)Fig.5 Equivalent viscous damping coefficient of column components

對比A、B兩組不同截面的柱構(gòu)件，等效黏滯阻尼系數(shù)隨著截面尺寸的降低而減小；在縱向配筋率相同的B組構(gòu)件中，采用同一種類箍筋混凝土柱構(gòu)件的等效黏滯阻尼系數(shù)隨著箍筋間距的減小而增大.

較大箍筋直徑的HRB400級箍筋柱構(gòu)件A-2-1M和較小箍筋直徑的CRB550級箍筋柱構(gòu)件A-2-2M的等效黏滯阻尼系數(shù)曲線貼近，說明兩者的耗能能力基本相同；較大箍筋直徑的HRB400級箍筋柱構(gòu)件A-1-1M和較小箍筋直徑的CRB550級箍筋柱構(gòu)件A-1-2M的等效黏滯阻尼系數(shù)曲線出現(xiàn)了上下交錯的情況，說明兩者的耗能能力不相上下.總體上說，按照等強度原則配置了CRB550級高強箍筋的柱構(gòu)件和配置了HRB400級箍筋的柱構(gòu)件的等效黏滯阻尼系數(shù)相近，耗能能力相當(dāng).

4 結(jié) 論

本文通過分析得出以下結(jié)論：

1) 通過有限元模擬得到的應(yīng)變云圖與構(gòu)件的試驗破壞形態(tài)圖基本相似，且二者的骨架曲線擬合較好，說明有限元模擬可以較為準(zhǔn)確地對試驗進行模擬.

2) 配置較小直徑的CRB550級高強箍筋混凝土柱構(gòu)件的骨架曲線與較大直徑的HRB400級箍筋混凝土柱構(gòu)件的骨架曲線吻合較好，承載力相差在15%以內(nèi)，說明CRB550級高強鋼筋可以替代HRB400級普通鋼筋作為鋼筋混凝土柱構(gòu)件的箍筋.

3) 在延性性能方面，所有柱構(gòu)件的延性系數(shù)均大于3.0，具有良好的變形能力；在CRB550級高強箍筋等強度替代HRB400級箍筋后，鋼筋混凝土柱構(gòu)件的延性性能會適當(dāng)提高.

4) 在能量耗散方面，配置了較小直徑的CRB550級高強箍筋混凝土柱構(gòu)件與對應(yīng)的HRB400級普通箍筋混凝土柱構(gòu)件的歸一化總滯回耗能值、等效黏滯阻尼系數(shù)接近，都具有很好的耗能能力.