預(yù)制鋼筋混凝土長柱抗震性能研究

郭 慶

(中鐵十六局集團(tuán)路橋工程有限公司 北京 101500)

1 引言

由于傳統(tǒng)施工方式具有生成效率低，施工質(zhì)量差，環(huán)境污染嚴(yán)重和資源消耗量大等缺點(diǎn)，因而裝配式建筑結(jié)構(gòu)得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用[1-2]。通常，預(yù)制鋼筋混凝土柱作為豎向主要受力構(gòu)件，是建筑抗震的重要防線。其性能直接決定結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性。

通常，預(yù)制鋼筋混凝土柱的連接方式主要包括濕連接和干連接兩種，其中濕連接包括灌漿套筒、漿錨搭接和疊合層搭接等。灌漿套筒連接由于其連接性能穩(wěn)定、利于安裝和檢測方便等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用[3]。王建[4]采用機(jī)械套筒連接的方式連接預(yù)制鋼筋混凝土柱，通過對(duì)現(xiàn)澆和預(yù)制柱進(jìn)行靜力試驗(yàn)，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，預(yù)制混凝土柱表現(xiàn)出與現(xiàn)澆柱相似的受力性能，并且在采用螺旋箍筋的情況下，預(yù)制柱體現(xiàn)出更好的耗能能力。Tazarv等[5]采用波紋管灌漿套筒連接圓形柱，并且在柱與基礎(chǔ)連接位置設(shè)置無粘結(jié)區(qū)域，對(duì)試件進(jìn)行低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，研究結(jié)果表明預(yù)制試件表現(xiàn)出更好的抗震能力，且無粘結(jié)處理提高了試件延性能力。White等[6]對(duì)三組裝配式鋼筋混凝土柱進(jìn)行了抗震性能研究，分別研究了貫穿插座連接、非貫穿插座連接，非貫穿耦合連接，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)貫穿插座試件延性和能量耗散能力是最好的。非貫穿耦合連接損傷最小，但事后維修麻煩。非貫穿插座連接由于無黏結(jié)設(shè)置延性較好，但破壞較早。李銳等[7]對(duì)預(yù)制鋼筋混凝土柱進(jìn)行了全灌漿連接，調(diào)查了軸壓比、配箍形式和灌漿料強(qiáng)度等參數(shù)的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明由于灌漿套筒的剛度較大，在連接區(qū)域形成了“剛域”，并且指出在軸向壓力作用下鋼筋混凝土預(yù)制柱的核心區(qū)混凝土?xí)蝗黄茐模ㄗh加密試件的配箍率。

綜上所述，采用灌漿套筒連接的預(yù)制鋼筋混凝土柱，通常都在相對(duì)較低的軸壓比作用下，而高軸壓比作用下的抗震性能研究較少。本文通過預(yù)制鋼筋混凝土長柱的數(shù)值分析模型，采用低周反復(fù)荷載試驗(yàn)分析，對(duì)比其滯回性能、承載力、延性和耗能等抗震指標(biāo)，為預(yù)制鋼筋混凝土長柱的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考。

2 三維數(shù)值模型

2.1 模型設(shè)計(jì)

預(yù)制鋼筋混凝土長柱試件的尺寸及配筋如圖1所示。預(yù)制柱的截面尺寸為200 mm×200 mm，長度為1 600 mm，則長寬比為8。鋼筋混凝土縱向鋼筋直徑采用16 mm，縱向配筋率為2.5%，預(yù)制鋼筋混凝土柱的配筋率滿足設(shè)計(jì)要求。加密區(qū)的間距為50 mm，非加密區(qū)的間距為100 mm。預(yù)制鋼筋混凝土柱與地梁的連接采用灌漿套筒，安裝定位后在套筒內(nèi)部注入灌漿料。在預(yù)制鋼筋混凝土柱的上部設(shè)置加載梁，便于施加豎向荷載和水平荷載。

圖1 預(yù)制鋼筋混凝土長柱(單位:mm)

預(yù)制鋼筋混凝土長柱的混凝土抗壓強(qiáng)度為40 MPa，彈性模量和泊松比分別為3.25×104MPa和0.2。縱向鋼筋和箍筋的屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度分別為500 MPa和650 MPa，其彈性模量和泊松比分別為2.02×105MPa和0.3。

2.2 有限元模型

本文采用有限元軟件對(duì)預(yù)制鋼筋混凝土長柱進(jìn)行模擬分析。該軟件應(yīng)用范圍包括熱傳導(dǎo)、熱力耦合、巖石力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)非線性分析和爆炸沖擊等領(lǐng)域，并已得到廣泛的應(yīng)用。圖2為預(yù)制鋼筋混凝土長柱的有限元模型，混凝土采用C3D8R實(shí)體單元，鋼筋采用 T3D2桁架單元。鋼筋混凝土柱的網(wǎng)格尺寸為5 mm，為了便于提高計(jì)算效率，加載梁和地梁的網(wǎng)格尺寸為10 mm。

圖2 預(yù)制鋼筋混凝土長柱的有限元模型

根據(jù)文獻(xiàn)[8]可知，采用灌漿套筒連接的預(yù)制鋼筋混凝土構(gòu)件中的灌漿料損傷較小，并且可以采用適當(dāng)?shù)暮喕椒ā榱颂岣咝剩瑴p小有限元模型的計(jì)算，可以將套筒區(qū)域設(shè)置為“剛域”，具體如圖3所示。此外，由于坐漿層在試件加載過程中，容易發(fā)生開裂。根據(jù)文獻(xiàn)[9]可知，可以采用庫倫摩擦與彈簧耦合的方式模擬拼接界面的性能。

圖3 灌漿套筒簡化模型

本文混凝土本構(gòu)模型采用塑性損傷本構(gòu)模型表示，該模型被證明可以較好地表征其力學(xué)性能，并且被廣泛的使用[10-13]。一般而言塑性損傷模型分別包括兩組基本參數(shù)，即5個(gè)塑性參數(shù)和單軸混凝土數(shù)據(jù)。5 個(gè)參數(shù)分別為φ、e、σbo/σco、Kc和μ，它們定義了屈服面函數(shù)，材料的潛在流動(dòng)趨勢和粘滯性能，具體如表1所示。

表1 塑性損失模型參數(shù)

本文鋼筋的本構(gòu)模型采用三折線強(qiáng)化模型表示，具體如圖4所示。該模型包括彈性階段、平臺(tái)階段和強(qiáng)化段，當(dāng)鋼筋達(dá)到極限應(yīng)變時(shí)，定義其失效。在圖4中可知，在屈服點(diǎn)對(duì)應(yīng)屈服應(yīng)變和屈服強(qiáng)度，峰值點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)鋼筋的峰值應(yīng)變和峰值強(qiáng)度。

圖4 鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

有限元模型的地梁采用固定約束的方式，限制其所有自由度。然后在試件的加載梁位置施加豎向軸向荷載，采用面荷載的形式進(jìn)行施加。本文的鋼筋混凝土軸壓比分別為0.2、0.3、0.4和0.5。在鋼筋混凝土長柱達(dá)到預(yù)定的軸壓比后，通過參考點(diǎn)RP-1施加水平荷載，本文采用位移控制加載，直到試件發(fā)生破壞。

3 結(jié)果分析

圖5為不同軸壓比作用下預(yù)制鋼筋混凝土長柱的破壞模式。從圖可知，預(yù)制鋼筋混凝土長柱的底部和頂部位置損傷嚴(yán)重，并且隨著軸壓比的提高而增大。在受到水平荷載的作用后，試件變形模式呈現(xiàn)彎曲模式。

圖5 不同軸壓比下預(yù)制鋼筋混凝土長柱塑性應(yīng)變

不同軸壓比作用下預(yù)制鋼筋混凝土長柱的滯回曲線如圖6所示。隨著軸壓比的增大，試件的滯回曲線飽滿程度逐漸下降，從梭形往弓形發(fā)展。從滯回曲線的飽滿程度可知，試件的耗能能力逐漸下降。

圖6 不同軸壓比下預(yù)制鋼筋混凝土長柱滯回曲線

圖7展示了不同軸壓比作用下預(yù)制鋼筋混凝土長柱的骨架曲線。從圖可知，隨著軸壓比的增大，試件的峰值承載力逐漸增大。當(dāng)軸壓比為0.2時(shí)，其峰值承載力為315.8 kN，而當(dāng)軸壓比為0.5時(shí)，峰值承載力提高了約1.3倍。此外，從圖7可知，其屈服荷載也隨著軸壓比的提高，表現(xiàn)出增大的趨勢。

圖7 不同軸壓比下預(yù)制鋼筋混凝土長柱骨架曲線

通常，構(gòu)件的變形能力采用延性表示，主要包括應(yīng)變延性、曲率延性、旋轉(zhuǎn)延性和位移延性。本文采用位移延性表示，其計(jì)算公式如下:

式中，Δy表示構(gòu)件發(fā)生屈服時(shí)的水平位移；Δμ表示構(gòu)件的極限位移，即試件的承載力下降至峰值荷載的85%或者已經(jīng)完全喪失承載能力時(shí)對(duì)應(yīng)的位移。

圖8展示了不同軸壓比下預(yù)制鋼筋混凝土長柱的延性系數(shù)。從圖8可知，隨著軸壓比的增大，預(yù)制鋼筋混凝土長柱的延性明顯下降。當(dāng)試件的軸壓比為0.2時(shí)，試件的正向與負(fù)向延性系數(shù)分別為6.2與6.1。當(dāng)軸壓比增大到0.5時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的延性系數(shù)分別為2.1與1.9。

圖8 不同軸壓比下預(yù)制鋼筋混凝土長柱延性系數(shù)

為了較好地評(píng)估預(yù)制鋼筋混凝土長柱的耗能能力，本文定義了總耗能，即試件破壞之前總的耗能能力。當(dāng)軸壓比為0.2、0.3、0.4和0.5時(shí)，預(yù)制鋼筋混凝土長柱的總耗能分別為56.5 kN·m、42.6 kN·m、28.1 kN·m和14.7 kN·m。因此，提高預(yù)制鋼筋混凝土長柱的軸壓比，其總的耗能能力會(huì)逐漸下降。

4 結(jié)論

通過建立預(yù)制鋼筋混凝土長柱的三維數(shù)值模型，調(diào)查了其在不同軸壓比作用下的抗震性能，研究結(jié)果表明預(yù)制鋼筋混凝土長柱的抗震性能受軸壓比的影響。具體表現(xiàn)為隨著軸壓比的增大，其峰值承載力逐漸提高，但是其延性和耗能能力逐漸下降。本文調(diào)查的結(jié)果可以為預(yù)制鋼筋混凝土長柱的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考依據(jù)。