箍筋約束對高強型鋼混凝土柱軸壓性能的影響

蘇 宇 王欣然

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

1 研究背景

型鋼混凝土組合結構，是指通過在普通鋼筋混凝土構件內配置型鋼，使鋼材與混凝土材料互相約束，令各自性能充分發揮，從而具備更好的受力性能的一種結構形式。當今建筑結構高度、跨度不斷增大，型鋼混凝土組合結構被廣泛應用于重要建筑結構的關鍵部位。

隨著可持續發展理念的深入，國家設立“十二五”科技支撐計劃“鋼結構民用建筑高性能結構鋼成套應用技術研究與示范”項目，促進高強鋼材在建筑領域的應用，推動建筑行業實現綠色健康發展。將高強鋼材應用于型鋼混凝土組合結構，可降低鋼材消耗量，壓縮截面尺寸，提供更大的使用空間，減少焊材及涂層材料的消耗量，帶來顯著的經濟效益。

然而，受到現行組合結構設計規范適用范圍的限制，工程中使用Q420以上強度等級鋼材時需要開展專項論證，造成成本的提高和工程進度的延誤，阻礙了高強型鋼混凝土組合結構的推廣使用。目前，高強型鋼應用于型鋼混凝土組合結構的設計規定尚不完善，相關研究亦處于起步階段。

李灝[1]對14根實腹式高強型鋼混凝土梁進行靜載試驗，對其破壞特征、剛度和延性等展開研究，并討論規范計算公式的適用性，研究結果說明簡單疊加法應用于高強型鋼混凝土框架梁的抗震設計時偏于不安全。楊怡亭等[2]基于實際工程進行研究，對2根縮尺模型試件進行軸壓試驗，建立并驗證有限元分析模型，研究Q460高強型鋼混凝土柱的受力性能。通過與各國規范計算結果對比發現：現行設計規范應用于高強型鋼混凝土柱設計偏于保守。Binglin Lai等[3]將C90混凝土與550 MPa級別高強型鋼結合，設計12根高強型鋼混凝土柱試件，并與歐美現行規范計算結果進行對比，發現試件軸壓承載力計算值低于實測值。林明強[4]對8根高強型鋼混凝土柱進行軸心靜載試驗，提出混凝土和高強型鋼兩種材料間存在應力—應變關系不協調的現象。

由于兩種材料存在應變不協調現象，高強鋼材所發揮的抗壓強度受到混凝土壓應變的限制，我國GB 50010—2010混凝土結構設計規范中提出將軸心受壓構件中500 MPa 級別鋼筋的抗壓強度取為400 MPa。然而研究表明，約束作用可提高混凝土的變形性能，進而提高其與鋼材間的協同工作能力，而作為常見的約束措施，箍筋約束對高強型鋼混凝土組合構件受壓性能的影響尚有待探究。

2 有限元模型的建立及試驗設計

2.1 模型建立

本文通過ABAQUS有限元分析軟件建立高強型鋼混凝土組合柱分析模型，考察其在軸心壓力作用下的力學性能。結合課題組現有Q345型鋼混凝土組合柱軸壓試驗，按試件幾何條件建立分析模型，試件高1 200 mm，箍筋間距100 mm，截面詳圖如圖1所示，為防止試件發生局壓破壞，在兩端200 mm范圍內進行箍筋加密。模型建立過程中，將混凝土按照約束條件的差異劃分為保護層及箍筋約束區，鋼材選用理想彈塑性模型，混凝土材料選用Mander[5]提出的混凝土本構關系曲線。綜合考慮模擬結果的準確程度及時間成本，選擇1∶1∶2.5的網格劃分比例[6]，如圖2所示。其中型鋼和混凝土采用C3D8R實體單元進行模擬，鋼筋選用T3D2桁架單元。鋼筋采用嵌入式約束，型鋼與混凝土間定義接觸，摩擦系數為0.25，以模擬型鋼與混凝土間的粘結作用。通過施加軸向位移的方式對模型施加軸壓力。

模擬分析結果與試驗結果的對比如圖3所示。由于有限元分析模型較為理想化，而實際構件在制作與試驗過程中不可避免地存在一定的初始缺陷及誤差，承載力模擬值略高于試驗值；模擬加載初期，由于八節點單元存在體積閉鎖效應[7]，模型剛度略大于試件剛度。總體上，模擬結果與試驗結果的荷載位移曲線較為吻合，破壞形式較為一致，該有限元分析模型能夠準確模擬型鋼混凝土組合柱在軸心壓力作用下的受力過程，可用于后續的影響因素分析。

2.2 模擬柱設計

為了研究約束作用對高強型鋼混凝土組合柱軸壓承載能力的影響，基于上述分析模型設計6根型鋼混凝土軸壓柱，混凝土立方體抗壓強度為58 MPa，模擬柱詳細信息見表1。

表1 模擬柱參數

(1)

(2)

其中，ρs為配箍率；fyh為箍筋屈服強度；ke為有效約束系數；w′,s′分別為相鄰縱筋、箍筋凈距；bc,dc分別為矩形箍筋的長度、寬度；ρcc為縱筋面積與約束區面積之比。

對于型鋼的約束作用，趙憲忠等[9]提出了其有效約束力的計算方法，文獻[10]提出型鋼和箍筋共同約束區域所受到的約束作用為二者約束力的線性疊加。結合三者的理論分析可知H型鋼的約束作用對該類試件的承載力影響小于2%，故此處僅討論箍筋約束作用的影響。

忽略約束作用的影響時，全部混凝土采用無約束混凝土本構；考慮箍筋約束作用時，對本次模擬的試件可按式(3)計算混凝土強度提高系數k，對箍筋約束區內的混凝土本構關系進行修正[5]。修正后的混凝土本構關系如圖5所示。

(3)

其中，fc0為混凝土軸心抗壓強度。

3 箍筋約束作用影響分析

3.1 忽略約束作用的模擬結果

各試件承載力模擬結果見表1。配置Q235型鋼的試件A1C0Q2，由于模擬分析軟件自身在一定程度上考慮了混凝土的雙軸受壓，如圖6所示，試件破壞時，縱筋與箍筋交匯處約束作用最強，混凝土壓應力最高，而約束較弱的區域混凝土應力略微降低，約為43.2 MPa，相較于其理論分析強度49.2 MPa降低了12.2%。忽略約束作用導致低估了約束區域混凝土的抗壓強度，會導致一定程度的材料浪費。配置Q460型鋼的試件A2C0Q4，如圖7所示，試件破壞時型鋼應力約為502 MPa，未能屈服。配置Q690型鋼的試件A3C0Q6破壞時型鋼應力與Q460型鋼接近(505 MPa)，試件達到極限承載力時型鋼遠未屈服，其模擬承載力與配置Q460型鋼的試件相比幾乎未得到提高。

3.2 考慮箍筋約束作用

由于基于箍筋約束作用修正后的混凝土本構關系模型考慮了混凝土在約束作用下受壓能力和變形性能的提升，配置高強型鋼的試件達極限承載力時，混凝土的壓潰破壞晚于型鋼屈服，高強型鋼能夠充分發揮其力學性能，如圖8所示。

與忽略約束作用的試件相比，如圖9所示，配有Q235，Q460和Q690型鋼的試件考慮約束作用后承載力分別提升4.6%，9.7%和22.4%，箍筋約束作用對型鋼混凝土組合柱軸壓承載力的影響隨型鋼強度等級的提高而增大。

通過上述討論可以看出，箍筋的約束作用對高強型鋼混凝土組合柱的軸壓承載力有著顯著的影響，應在結構設計中予以考慮：一方面約束作用能夠增強混凝土的抗壓能力，考慮箍筋的約束作用能夠在一定程度上避免材料浪費；另一方面約束作用能夠顯著增強混凝土的變形能力，設計使用高強鋼材的構件時，可通過增加所配箍筋的方式確保高強鋼材性能能夠充分發揮。

4 結語

本文通過ABAQUS有限元分析軟件建立模型，討論約束作用對高強型鋼混凝土柱軸壓性能的影響，得出以下結論：

1)箍筋的約束作用對高強型鋼混凝土組合柱的軸壓承載力有較大影響，且影響程度隨型鋼強度等級的提高而增大，對于配有Q235，Q460和Q690型鋼的試件，考慮箍筋對混凝土的約束作用的積極影響后，試件模擬承載力分別提高了4.6%，9.7%和22.4%。

2)約束作用可以影響混凝土的抗壓性能和高強鋼材所發揮的抗壓強度，設計時不應忽略其對承載力的積極貢獻。

3)建立了H型鋼混凝土軸壓柱ABAQUS有限元分析模型，可較為準確地模擬該類試件在軸心壓力作用下的受力行為。