循環荷載作用下SFRC/RC組合柱抗震性能研究*

張軍朋，方先慧

(昆明理工大學建筑工程學院，云南 昆明 650500)

0 引言

鋼筋混凝土(reinforced concrete，RC)框架柱是建筑結構中重要的承重和水平抗力構件，對結構整體性能具有重要影響[1-2]，在地震作用下，RC柱會發生彎剪、剪切、壓屈等破壞[3]。大量地震災害表明，RC柱破壞是引起建筑物倒塌的主要原因[3]，提高RC柱抗震性能一直是工程界關心的問題。

基于此，多位學者對影響RC柱抗震性能的因素進行了分析，如李艷艷等[4]對7根RC柱進行循環加載試驗，結果表明當軸壓比較大時，RC柱剛度退化能力增大，延性降低，當配箍率增大時，RC柱耗能能力得到提升；Belkacem等[5]對RC柱抗震性能進行分析，結果表明軸壓比和配箍率對RC柱抗震性能的影響較大；葛文杰等[6]研究了循環荷載作用下4根500MPa級RC矩形截面柱抗震性能，結果表明RC柱抗震性能隨著軸壓比的減小、配箍率的增大而提高。

由以上研究可知，在一定范圍內減小軸壓比、增大配箍率能夠提高RC柱抗震性能。由于RC柱破壞部位通常出現在柱端，因此多位學者通過在柱端局部使用高延性混凝土代替普通混凝土改善RC柱抗震特性，如陳俊涵[7]通過在RC柱端局部采用高韌性水泥基復合材料(engineered cementitious composite，ECC)，并對RC柱和ECC/RC組合柱進行擬靜力試驗，結果表明ECC/RC組合柱滯回曲線更飽滿，具有更好的延性和耗能能力；梁興文等[8]采用纖維增強混凝土(fiber reinforced concrete，FRC)局部代替柱端普通混凝土，并對其耗能能力進行研究，結果表明與RC柱相比，FRC柱具有較好的耗能能力。

然而，目前關于鋼纖維混凝土(steel fiber reinforced concrete，SFRC)在RC柱端局部代替普通混凝土并對其抗震性能進行研究的成果較少。因此，本文采用有限元軟件ABAQUS對SFRC/RC組合柱與RC柱進行數值模擬計算分析，將耗能、延性作為試件抗震性能評價指標，研究軸壓比、配箍率對SFRC/RC組合柱抗震性能的影響，并對比分析SFRC/RC組合柱和RC柱抗震性能。

1 模型建立

1.1 材料與單元選取

采用有限元軟件ABAQUS中的混凝土損傷塑性模型對混凝土和鋼纖維混凝土進行模擬。該模型中引入了損傷因子，對模擬循環荷載作用下混凝土力學性能具有較好的效果[9-10]。

由于循環荷載作用下混凝土與鋼筋之間存在黏結滑移現象，通過削弱鋼筋剛度，增大滯后能耗影響系數，以模擬混凝土與鋼筋之間的黏結滑移損傷[11]。

混凝土與鋼纖維混凝土均采用八結點六面體線性減縮積分實體單元(C3D8R)模擬，鋼筋采用桁架Truss單元(T3D2)模擬[12-13]。

同時考慮到模型的精確性和收斂性，單元尺寸采用50mm。損傷塑性模型中膨脹角取30°，偏心率取0.1，雙軸與單軸受壓時的初始屈服應力比取1.16，不變應力比取0.667，黏性參數取0.005。

1.2 本構關系選取

混凝土拉、壓本構模型按GB 50010—2010(2015年版)《混凝土結構設計規范》[14]規定的公式確定，鋼纖維混凝土拉、壓本構模型按高丹盈[15-16]提出的拉、壓應力應變公式確定。

1.3 模型可靠性驗證

采用本文建立的模型進行有限元分析，將數值模擬結果與已有學者進行的試驗結果進行對比分析，以驗證有限元模型的可靠性。建模選取的柱編號為C-Q1[4]，C-Q2[4]，WF-4-3-0.6[17]，WF-4-5-0.4[17]，HC11[18]，參數如表1所示。

表1 已有研究試件參數

將有限元模擬計算得到的骨架曲線與試驗骨架曲線進行對比，如圖1所示，各試件位移與荷載特征值如表2所示。

圖1 已有研究試件骨架曲線對比

由圖1和表2可知，數值模擬結果與試驗結果吻合較好，誤差<10%，表明本文建立的有限元模型可靠，可較好地還原試驗。

表2 已有研究試件位移與荷載特征值

2 SFRC/RC組合柱與RC柱設計

基于《混凝土結構設計規范》對于柱的一般設計要求，建立5個SFRC/RC組合矩形柱試件和1個RC矩形柱試件，其中SFRC使用范圍如圖2所示，試件尺寸及配筋如圖3所示。柱縱筋及箍筋均采用HRB400鋼筋，混凝土強度等級為C40，鋼纖維混凝土強度等級為CF40，不同工況下試件參數設計如表3所示，試驗軸壓比與設計軸壓比換算關系為[19]：

表3 本研究試件參數

圖2 SFRC使用范圍示意

(1)

式中：nd為設計軸壓比；nt為試驗軸壓比；δc為混凝土強度變異系數，取0.144。

3 加載方案及連接界面處理

在柱頂施加水平荷載，采用力與位移混合加載方式對柱進行循環加載，同時在柱端施加不同軸力，以控制柱的軸壓比。當柱未屈服時采用力進行加載，每次循環荷載增加5kN，當柱進入屈服狀態后，對柱進行位移加載，加載制度如圖4所示。

圖4 加載制度

鋼纖維混凝土與混凝土的連接界面處理采用綁定約束，有助于消除剛體位移，并減少計算接觸狀態所需的迭代次數[20]。

4 結果分析

4.1 滯回性能

通過有限元軟件ABAQUS分析得到試件破壞形態，其中RC柱與SFRC/RC-1組合柱受拉損傷云圖如圖5所示，數值越大的部位表示損傷越嚴重。由圖5可知，在循環荷載作用下，柱的破壞首先發生在柱與基礎梁交界處，在此位置出現彎曲破壞；然后損傷逐漸向柱身發展，基礎梁將逐漸出現剪切破壞。SFRC/RC-1組合柱損傷程度遠低于RC柱，說明利用SFRC在柱底代替普通混凝土可明顯提高柱抗震性能。

圖5 試件損傷云圖

對于循環荷載作用下的RC柱與SFRC/RC組合柱，可通過滯回曲線反映延性、耗能能力及剛度退化能力。計算得到各柱滯回曲線如圖6所示，由圖6可知，各柱滯回曲線表現為對稱形態，相比RC柱，SFRC/RC-1組合柱滯回曲線更飽滿，表明在循環荷載作用下SFRC/RC-1組合柱較RC柱耗能能力強，即在柱底薄弱處采用SFRC代替普通混凝土能夠顯著提高柱耗能能力；當軸壓比相同時，SFRC/RC組合柱滯回曲線飽滿程度與配箍率呈正相關關系；當配箍率相同時，隨著軸壓比的增大，SFRC/RC組合柱滯回曲線出現“捏縮”現象，表明SFRC/RC組合柱耗能能力有所下降。

圖6 各柱滯回曲線

4.2 承載力與延性

通過連接各柱滯回曲線峰值荷載點，得到骨架曲線，如圖7所示。由骨架曲線計算得到各柱位移與荷載特征值，如表4所示。其中各柱屈服荷載和極限荷載分別為峰值荷載的0.75，0.85倍，各柱延性通過位移延性系數μ進行評價[21]：

圖7 各柱骨架曲線

(2)

式中：Δu為試件極限位移；Δy為試件屈服位移。

由圖7和表4可知，SFRC/RC-1柱峰值荷載是RC柱的1.19倍，提高了18.9%；SFRC/RC-1柱位移延性系數是RC柱的1.39倍，提高了39%；達峰值荷載后，RC柱承載力較SFRC/RC-1柱承載力下降速率快，表明在軸壓比和配箍率相同的條件下，在柱底薄弱處局部采用SFRC代替普通混凝土可明顯提高柱承載力和延性；當SFRC/RC組合柱軸壓比相同，配箍率為0.47%～0.87%時，隨著配箍率的提高，柱峰值荷載和位移延性系數相應提高，但當配箍率提高36%時，SFRC/RC組合柱峰值荷載和位移延性系數分別提高4.5%，2.5%，表明增大配箍率雖可提高SFRC/RC組合柱峰值荷載和位移延性系數，但提高幅度較小；當SFRC/RC組合柱配箍率相同，軸壓比為0.35～0.75時，隨著軸壓比的減小，柱位移延性系數相應提高，但峰值荷載基本保持不變，當軸壓比下降32%時，SFRC/RC組合柱位移延性系數提高23.11%；達峰值荷載后，隨著軸壓比的增大，SFRC/RC組合柱骨架曲線下降段的下降速度越來越快，表明增大軸壓比會大幅度減弱柱延性。

表4 本研究各柱位移與荷載特征值

4.3 耗能

在實際工程中，等效黏滯阻尼系數ξeq通常被用于判斷結構耗能能力，并據此評價結構抗震性能。等效黏性阻尼系數越大，耗能能力越強[22]。計算得到不同位移幅值下各柱等效黏滯阻尼系數如表5所示，其與位移的關系曲線如圖8所示。

表5 不同位移幅值下柱等效黏滯阻尼系數

圖8 等效黏滯阻尼系數與位移關系曲線

由表5和圖8可知，在循環荷載作用下，各柱等效黏滯阻尼系數均隨著水平方向位移的增大而增大，但幅值越來越小，其中SFRC/RC-1柱等效黏滯阻尼系數較RC柱小，當水平方向位移達45mm時，SFRC/RC-1柱等效黏滯阻尼系數為RC柱的1.16倍，提高了16.2%，表明SFRC/RC-1柱抗震性能優于RC柱；當軸壓比和水平方向位移相同時，SFRC/RC組合柱等效黏滯阻尼系數隨著配箍率的減小而減小，當水平方向位移達45mm時，SFRC/RC-1柱等效黏滯阻尼系數分別較SFRC/RC-2，SFRC/RC-3柱提高了4.76%，6.99%；當配箍率和水平方向位移相同時，SFRC/RC組合柱等效黏滯阻尼系數隨著軸壓比的增大而減小，當水平方向位移達45mm時，SFRC/RC-2柱等效黏滯阻尼系數分別較SFRC/RC-4，SFRC/RC-5柱提高了8.04%，15.46%，表明在一定范圍內增大配箍率、減小軸壓比可提高柱耗能能力，其中軸壓比的影響較大。

5 結語

1)在相同配箍率和軸壓比下，SFRC/RC組合柱位移延性系數較RC柱提高了39%，等效黏滯阻尼系數提高了16.2%，說明在柱底采用SFRC代替普通混凝土能夠明顯提高RC柱抗震性能。

2)對于SFRC/RC組合柱，當軸壓比相同，配箍率為0.47%～0.87%時，隨著配箍率的增大，柱峰值荷載、位移延性系數和等效黏滯阻尼系數均有所提高，當配箍率提高36%時，柱峰值荷載、位移延性系數和等效黏滯阻尼系數分別提高了4.5%，2.5%，3.5%。

3)對于SFRC/RC組合柱，當配箍率相同，軸壓比為0.35～0.75時，隨著軸壓比的減小，柱位移延性系數和等效黏滯阻尼系數均增大，當軸壓比減小32%時，柱位移延性系數和等效黏滯阻尼系數分別提高了23.11%，6.33%。

4)軸壓比對SFRC/RC組合柱抗震性能的影響大于配箍率，為提高SFRC/RC組合柱抗震性能，應優先考慮軸壓比的影響。