長期作用下HRB600鋼筋高強混凝土柱軸壓性能有限元分析

李志黎 陳從召

摘要：為探討混凝土長期收縮徐變作用對HRB600鋼筋高強混凝土柱軸壓性能的影響，利用ABAQUS有限元軟件建立1根不考慮長期作用的柱模型試件與12根考慮長期作用的柱模型試件，并進行對比分析，初步探究了縱筋配筋率、混凝土強度和配箍率對構(gòu)件承載力和峰值應(yīng)變的影響。分析結(jié)果表明：考慮長期作用后，構(gòu)件承載力減小6.5 %，峰值應(yīng)變減小15 %，隨著縱筋配筋率、混凝土強度、配箍率的增加，構(gòu)件承載力隨之增加，其中配箍率影響最小，進一步在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中柱軸壓承載力計算公式基礎(chǔ)上，提出考慮長期作用下HRB600鋼筋高強混凝土柱軸壓承載力修正計算式。

[作者簡介]李志黎（1996—），男，在讀碩士，主要研究方向為混凝土結(jié)構(gòu);陳從召（1997—），男，在讀碩士，主要研究方向為混凝土結(jié)構(gòu)。

高強鋼筋高強混凝土結(jié)構(gòu)具有構(gòu)件截面尺寸小、增加建筑使用面積、節(jié)約材料的優(yōu)點，目前，國內(nèi)外學(xué)者對配置高強鋼筋高強混凝土構(gòu)件進行了大量的研究[1-3]，其中由于配制HRB600鋼筋構(gòu)件的相關(guān)基礎(chǔ)性試驗研究不足，導(dǎo)致HRB600鋼筋難以在實際工程中推廣應(yīng)用 [4]。

長期荷載作用下混凝土由于收縮、徐變效應(yīng)引起的應(yīng)力重分布對結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力性能影響顯著，陳周熠等[5]進行了鋼骨混凝土短柱在長期軸向荷載作用下的試驗研究，韓林海、王文達等[6-7]對鋼管混凝土柱在長期荷載作用下的受力性能進行了研究，而目前對于高強鋼筋高強混凝土構(gòu)件在長期荷載作用下的受力性能研究較少。

通常將混凝土收縮效應(yīng)等效為溫度荷載進行研究，并采用基于齡期調(diào)整有效模量法考慮混凝土的徐變作用[8-9]，然而，通過對前人所作的工作以及一些文獻的研究分析可知，按齡期調(diào)整有效模量法中采用的折減的彈性模量與實際結(jié)構(gòu)承受持續(xù)荷載后彈性模量隨齡期增加會有所增加的現(xiàn)象不符[10]，故本文結(jié)合文獻[10]提出的徐變效應(yīng)等效溫度理論，利用ABAQUS有限元分析軟件探究混凝土長期收縮、徐變作用下HRB600鋼筋高強混凝土柱軸向受力性能。

1 混凝土長期收縮徐變效應(yīng)

混凝土收縮可等效為均勻溫降作用，混凝土徐變效應(yīng)參考文獻[10]中徐變效應(yīng)等效溫度推導(dǎo)，如式1所示：

式中：t0為混凝土加載齡期;σt0為t0時刻作用于混凝土的常應(yīng)力;t為混凝土計算齡期;Et0為t0時刻混凝土的彈性模量;φt，t0為加載齡期為t0，計算齡期為t的混凝土徐變系數(shù);E28為混凝土28天彈性模量;α為混凝土熱膨脹系數(shù)。

本文混凝土長期收縮徐變效應(yīng)參考混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[11]中混凝土10年收縮應(yīng)變終極值ε與10年徐變系數(shù)終極值φ，如表1所示，其中，混凝土加載齡期為28天，熱膨脹系數(shù)為1×10-5/℃，設(shè)計軸壓比為0.4。

2 有限元分析

2.1 模型建立

基于有限元軟件ABAQUS對HRB600鋼筋高強混凝土柱進行建模，有限元部件為混凝土柱、鋼筋籠、鋼板，尺寸設(shè)置與文獻[12]一致。

2.1.1 材料本構(gòu)關(guān)系

采用ABAQUS中損傷塑性模型進行非線性計算，混凝土本構(gòu)關(guān)系參考過鎮(zhèn)海模型[13]，鋼筋采用二折線模型，硬化段斜率為0.01，混凝土損傷因子參考文獻[14]中的推導(dǎo)計算。

2.1.2 相互作用與約束

不考慮鋼筋混凝土之間的粘結(jié)滑移，所有鋼筋內(nèi)置于混凝土中，定義參考點并與鋼板耦合，加載端鋼板與墊塊鋼板分別與混凝土柱上下端面綁定，模型底部為固定約束。

2.1.3 單元與網(wǎng)格

混凝土采用C3D8R單元，鋼筋采用T3D2單元，使用ABAQUS中結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分技術(shù)，網(wǎng)格密度為60 mm。

2.1.4 荷載

采用單調(diào)位移加載方式，在頂部參考點施加豎向位移，當(dāng)考慮鋼筋混凝土柱長期收縮徐變作用下的軸向受力性能時，首先根據(jù)設(shè)計軸壓比在柱頂施加均布應(yīng)力，然后將收縮徐變作用等效為溫差效應(yīng)，對混凝土柱進行整體均勻降溫，最后進行位移加載。

2.1.5 模型驗證

選取文獻[12]中HRB600鋼筋高強混凝土柱（Z1）進行模擬，對比分析構(gòu)件的力-位移曲線和破壞圖，如圖1所示，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬力-位移曲線與試驗曲線吻合較好，且混凝土受壓損傷云圖與試驗柱損傷發(fā)展較為一致，可驗證有限元模型的合理性。

2.2 對比分析

由GB 50010-2010（2015版）《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（以下簡稱為《規(guī)范》）11.4.16[11]知，一級抗震等級的不同結(jié)構(gòu)體系軸壓比限值在0.65左右，且對于高強混凝土結(jié)構(gòu)，軸壓比限值宜減小0.1，故以下對比分析設(shè)計軸壓比為0.4時HRB600鋼筋高強混凝土柱長期收縮徐變作用下的軸向受力性能，如圖2所示， 當(dāng)不考慮混凝土長期收縮徐變作用時，HRB600鋼筋高強混凝土柱極限承載力為29 231 kN，峰值應(yīng)變?yōu)?.358×10-3;考慮長期收縮徐變后，混凝土柱極限承載力為27 333 kN，同比減小6.5 %，峰值應(yīng)變?yōu)?.005×10-3，同比減小15.0 %。

2.3 參數(shù)分析

在試驗驗證合理基礎(chǔ)上，初步探究縱筋配筋率、混凝土強度、配箍率對長期作用下HRB600鋼筋高強混凝土柱軸壓性能影響，并建立12個有限元模型試件進行分析，試件參數(shù)設(shè)置如表2所示。

2.3.1 縱筋配筋率

試件GQZ1～5的縱筋配筋率依次為1.27 %、2.05 %、2.68 %、3.39 %、4.19 %，不同配筋率對應(yīng)的柱力-位移曲線如圖3所示。隨著縱筋配筋率的增加，混凝土柱的極限承載力不斷增加，而峰值應(yīng)變變化不大，由表3知，峰值應(yīng)變標準差為20.4×10-6，縱筋配筋率對高強混凝土柱的增強主要體現(xiàn)在軸向受壓強度上，對其變形性能影響較小。

2.3.2 混凝土強度

選取C100、C80、C60、C40等級的混凝土材料進行分析，為與試驗結(jié)果保持一致，其軸心抗壓強度值選用試驗研究中所用混凝土的實測強度值，即分別采用82.2 MPa、69.7 MPa、53.0 MPa、40.0MPa[12]，試件GQZ1、試件GQZ6～8分別對應(yīng)不同混凝土強度等級，其力-位移曲線如圖4所示。

混凝土強度增加，混凝土柱極限承載力與峰值應(yīng)變均顯著增加，由表3知，相比C40混凝土，C60、C80、C100混凝土柱承載力依次提高24.3 %、56.5 %、76.8 %，峰值應(yīng)變依次增加2.8 %、13.9 %、28.1 %。

2.3.3 箍筋配筋率

試件GQZ1、GQZ9～12的配箍率依次為0.57 %、0.76%、1.15 %、1.53 %、2.29 %，不同配箍率對應(yīng)的柱力-位移曲線如圖5所示。

隨著配箍率增加，混凝土柱極限承載力與峰值應(yīng)變均有增加，如表3所示，參數(shù)縱筋配筋率對應(yīng)的峰值荷載標準差為1 672 kN;參數(shù)砼強度對應(yīng)的峰值荷載標準差為5 143 kN;參數(shù)配箍率對應(yīng)的峰值荷載標準差為424 kN，相比于縱筋配筋率和混凝土強度，配箍率對混凝土柱的承載力影響較小。

3 軸壓承載力計算

“規(guī)范”[11]規(guī)定鋼筋混凝土軸壓構(gòu)件正截面承載力計算式為：

當(dāng)不考慮混凝土長期收縮徐變時，戎賢、張建偉等通過試驗與有限元軟件對HRB600鋼筋高強混凝土柱軸壓承載力進行了研究，并驗證了式（2）的適用性[5，13]，當(dāng)考慮混凝土長期收縮徐變時，參數(shù)縱筋配筋率、混凝土強度、配箍率對HRB600鋼筋高強混凝土柱軸壓承載力影響趨勢與文獻（不考慮混凝土收縮徐變）[13]中各參數(shù)影響趨勢較為一致，即隨著縱筋配筋率、混凝土強度、配箍率的增加，構(gòu)件承載力隨之增加，且配箍率影響較小，故根據(jù)上文有無收縮徐變作用混凝土柱承載力對比分析，提出長期作用下HRB600鋼筋高強混凝土柱軸壓承載力計算修正式（3）：

式中：β為考慮長期作用后構(gòu)件承載力折減系數(shù)。

基于以上理論分析，對試件GQZ1～5、試件GQZ7～12進行無收縮徐變作用承載力分析，并與考慮混凝土收縮徐變作用柱承載力對比，如表4所示。

由表4知，隨著參數(shù)的變化，折減系數(shù)βi的標準差為0.014，分布較為集中，長期作用后構(gòu)件承載力折減系數(shù)β可參考βi的期望值0.928，故式（3）可變化為：

式（4）中HRB600鋼筋屈服強度設(shè)計值參考文獻[4]取500 MPa，修正后的承載力理論計算值與有限元計算值對比如表5所示。

表5中F2/Nu均值為1.21，變異系數(shù)為0.016，可驗證考慮長期作用的HRB600鋼筋高強混凝土柱軸壓承載力修正公式的適用性。

4 結(jié) 論

（1）考慮混凝土長期收縮徐變作用后， HRB600鋼筋高強混凝土柱軸壓承載力與峰值應(yīng)變均有減小。

（2）縱筋配筋率、混凝土強度、配箍率越大，長期作用下HRB600鋼筋高強混凝土柱承載力越大，相比于縱筋配筋率和混凝土強度，配箍率對構(gòu)件的承載力影響較小。

（3）提出考慮長期作用下HRB600鋼筋高強混凝土柱軸壓承載力修正計算式，試驗與理論比期望值為1.21，變異系數(shù)為0.016，該式具有足夠的安全儲備。

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