基于ABAQUS有限元分析的鋼筋混凝土柱扭轉(zhuǎn)性能研究

瞿 帥（深圳千里馬裝飾集團有限公司，廣東 深圳 518000）

隨著我國高樓大廈、大跨度建筑物的不斷發(fā)展，鋼筋混凝土（SRC）柱結(jié)構(gòu)因其優(yōu)異的整體抗震性能而被廣泛采用。與此同時，由于建筑物形式及功能需求的不斷變化，使得建筑物中存在著大量的復雜、不規(guī)則的構(gòu)造。尤其是非規(guī)則構(gòu)件，在地震作用下，往往會受到壓、彎、剪、扭等多因素的共同作用[1,2]。在鋼筋混凝土產(chǎn)生扭應力的情況下，RC 柱子的承載力比常規(guī)的壓、彎、剪荷載下RC柱子要低[3]。

楊志勇[4]曾對23個配有不同配筋的矩形、T型鋼筋混凝土構(gòu)件進行了抗扭試驗。研究發(fā)現(xiàn)，隨著鋼骨比的增大，RC柱的延性及抗扭承載力都得到了明顯的改善。關(guān)于斜交角鋼混凝土柱的裂縫力矩及極限力矩，吳紹煒[5]給出了相應的計算公式。此外，已有學者對RC 柱的受力性能進行了研究，并對RC 柱的抗震性能進行了分析[6]，在此基礎上，建立了彎扭耦合作用下的簡化計算公式。孫美娟[7]利用ABAQUS軟件，對鋼矩形箱梁受彎、扭轉(zhuǎn)共同作用下的極限承載力進行了研究。雖然已有許多學者對其進行了大量的研究，但是對于其在扭轉(zhuǎn)作用下的受力特性卻鮮有研究。

同時，考慮到與實驗研究相關(guān)的高成本和長時間，數(shù)值模擬是一種可取的方法[8,9]。因此，本文通過數(shù)值模擬全面研究軸壓比、扭彎比、混凝土強度、縱向配筋率對鋼筋混凝土柱的組合扭轉(zhuǎn)行為的影響。

1 數(shù)值模擬模型的構(gòu)建

利用ABAQUS程序，進一步計算RC構(gòu)件的扭轉(zhuǎn)性能，在已有的關(guān)于RC 構(gòu)件的試驗基礎上，建立了ABAQUS 有限元計算模型，并提出了基于C3D8R 的柱子、鋼梁等構(gòu)件的計算方法。本文提出了一種基于等向彈性破壞、等向拉、壓力、等向彈性破壞的本構(gòu)方程。假定在受壓損傷后，鋼筋混凝土再發(fā)生軟化，因此設定鋼筋混凝土柱用網(wǎng)寬40mm，鋼筋混凝土梁用網(wǎng)寬30mm。在節(jié)點中心處，網(wǎng)格得到進一步加密。試驗結(jié)果表明，該模型的試驗結(jié)果與試驗結(jié)果基本一致；仿真結(jié)果表明，各部位的尺度均與試驗結(jié)果相符。同時，也將鋼筋及混凝土三者間的滑移量進行了計算。圖1 顯示鋼筋混凝土柱模型。

圖1 鋼筋混凝土柱模型

2 試驗結(jié)果與分析

為全面了解鋼筋混凝土柱在扭轉(zhuǎn)下的性能，在數(shù)值模擬中總共考慮了4個設計參數(shù)：軸載比、彎扭比、混凝土強度、縱向配筋率。將每個設計參數(shù)設置為五個不同值。

2.1 軸向載荷比的影響

在有限元分析中，將軸向載荷比設為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5。在此基礎上，采用了數(shù)值仿真方法，得到了不同軸向載荷比的扭力變化規(guī)律。由圖2可知，在彈性狀態(tài)下，軸向載荷比對鋼筋混凝土的初始抗扭剛度影響較少。在彈性和塑性區(qū)，增大軸力比值可以降低構(gòu)件的剛度，增大構(gòu)件的極限彎矩，這主要由于鋼筋混凝土在軸力作用下，構(gòu)件的裂紋擴展受到了抑制。但當軸向荷載比大于0.4時，則出現(xiàn)了明顯的減小現(xiàn)象。在破壞區(qū)域中，隨著軸向荷載比值的增大，混凝土柱的承載力衰減速率加快，塑性降低，主要由于混凝土柱在軸向荷載下產(chǎn)生的二階效應更為明顯。而在軸向荷載比為0.1的情況下，其最大轉(zhuǎn)矩為46.81kN/m。且可觀察到，峰值扭矩隨軸力比的增大而增大，最大峰值轉(zhuǎn)矩為48.14kN/m。

圖2 扭矩變化

2.2 扭轉(zhuǎn)彎曲比的影響

扭轉(zhuǎn)彎曲比設置成5 種不同的數(shù)值，即0.5、0.75、1.0、1.25、1.5。在進行數(shù)值仿真后，得到了如圖3和表1所示的結(jié)果。在彈性狀態(tài)下，扭-彎比對鋼筋混凝土柱初扭剛度的影響很小。在彈性和塑性區(qū)，隨著扭轉(zhuǎn)率的增大，扭轉(zhuǎn)力矩會呈增大趨勢。在破壞區(qū)，扭轉(zhuǎn)彎曲率越大，材料的強度下降越快，塑性越差。表1顯示，在扭-彎比為0.5的情況下，最終扭矩達到51.18kN/m的最小值。結(jié)果表明，在扭-彎比增大時，其極限扭矩隨扭-彎比增大而增大，最大值為57.90kN/m。在扭轉(zhuǎn)-彎曲比為0.5的情況下，拉伸系數(shù)最大為4.18。延性系數(shù)隨扭-彎比的增大而減小，當扭轉(zhuǎn)彎曲比為1.5時，扭矩均達到最大。

表1 扭轉(zhuǎn)-彎曲比對極限扭矩和延性系數(shù)的影響

圖3 扭轉(zhuǎn)彎曲比對鋼筋混凝土柱性能的影響

2.3 混凝土強度的影響

本節(jié)將混凝土強度設為C25、C35、C45、C55、C65，在此基礎上，采用有限元仿真方法，得出了在扭轉(zhuǎn)作用下，混凝土強度對其性能的影響規(guī)律，如圖4 所示。在彈性本構(gòu)關(guān)系中混凝土的強度是影響其初始抗扭剛度的重要因素。隨著混凝土強度的提高，其初始剛度也隨之增大。在彈性模量下，增強混凝土的強度，會使極限扭力增大。在破壞區(qū)，混凝土的強度對于破壞區(qū)的承載力衰減速率影響是有限的。在C25 強度等級下，最大扭矩為33.57kN/m。試驗結(jié)果表明，在C65 強度下，極限扭矩隨混凝土強度的增大而增大，其最大值為51.11kN/m。

圖4 混凝土強度對鋼筋混凝土柱性能的影響

2.4 縱向配筋率的影響

對鋼筋混凝土柱進行縱向配筋率設計，并研究5種不同縱向配筋，分別為1.00%、1.79%、2.79%、4.36%、7.15%。在此基礎上，采用有限元分析方法，得出了在扭轉(zhuǎn)荷載作用下縱向配筋比例對混凝土力學性能的影響規(guī)律，并將結(jié)果列于圖5 和表2 中。在彈性狀態(tài)下，縱向配筋比例對RC柱的初始抗扭剛度影響不大；在彈性和塑性區(qū)，只需增大縱向配筋比例，就可使彎矩增大；在破壞區(qū)，單純提高縱筋比例，只是改善了混凝土的塑性。表2顯示，極限扭矩最小值為57.30kN/m，最大值為61.38kN/m。進一步表明，混凝土的延性系數(shù)隨縱向配筋率的變化而變化，其最大值為4.18，在縱筋比為1.00%時變化最小值為3.99。從圖5 和表2 可以看出，僅僅增大縱筋率比例，對于提高RC柱的極限承載力和延性會有較小的作用。因此，在實際施工過程中，可以適當降低對縱向配筋率的要求。

表2 縱向配筋比對極限扭矩和延性系數(shù)的影響

圖5 縱向配筋比對鋼筋混凝土柱性能的影響

2.5 箍筋比的影響

在鋼筋混凝土柱橫斷面上，采用了Φ8@200、Φ8@150、Φ8@100、Φ8@75、Φ8@50 五種形式。鋼筋的箍筋比例為：0.17%、0.22%、0.34%、0.45%、0.67%，采用有限元仿真方法，分析了不同箍筋比例下的鋼筋混凝土抗扭特性。在彈性模量下，箍筋比例對其抗扭性能的影響很小；在彈性和塑性區(qū)，增大箍筋比對結(jié)構(gòu)承載力的影響不大；在失效區(qū)，增大箍筋比可使混凝土的抗彎性能略有改善。由表3可知，在箍筋比例為0.17%的情況下，最小的極限扭矩為59.84kN·m，在配筋比例為0.67%的情況下，最大的極限扭矩為62.20kN·m。另外，在鋼筋箍筋比例為0.67%和0.17%時，鋼筋箍筋比例分別為4.76和3.75。圖6及表3顯示，僅添加箍筋比例，對于改善結(jié)構(gòu)之極限轉(zhuǎn)矩與韌性之效果較好。

圖6 縱向箍筋比對鋼筋混凝土柱性能的影響

2.6 剪跨比的影響

通過改變柱高H，以研究剪跨比（λ=M/Vh=H/h）對扭轉(zhuǎn)下鋼筋混凝土柱性能的影響。柱高度H設置為五個不同的值;即700mm、900mm、1100mm、1300mm 和1500mm。對應的剪跨比分別為2.33、3.00、3.67、4.33、5.00。在圖7和表4中給出了利用有限元仿真來研究剪跨比對扭轉(zhuǎn)特性的影響。在彈性本構(gòu)模型中，剪跨比對其初始抗扭剛度的影響較大。隨著剪跨比的減小，抗扭剛度增大；在彈性模態(tài)下，剪跨比增加能有效地減小鋼筋混凝土柱的剛度劣化，并能有效地增加其承載力。在失效區(qū)，隨著剪跨比的減小，結(jié)構(gòu)的承載力退化速率增大，結(jié)構(gòu)的延性降低。由表4 可知，在剪跨比為5.00 時，極限扭矩最小值為54.01kN·m，在剪跨比為2.33 時，極限力矩最大值為64.12kN·m。在剪跨比為5.00 和2.33 的情況下，鋼筋混凝土的延性系數(shù)分別為6.20和4.09。圖7及表4都顯示了剪跨比對極限轉(zhuǎn)矩及延性有很大的影響。

表4 剪跨比對極限力矩和延性系數(shù)的影響

圖7 剪跨比對鋼筋混凝土柱性能的影響

3 結(jié)語

（1）所研究的4 個設計參數(shù)，按對極限扭矩的影響程度從高到低排列，分別是混凝土強度、扭彎比、縱向配筋比和軸載比。混凝土強度、扭彎比和縱向配筋比對鋼筋混凝土強度增加是有利的。當軸向載荷比低于0.4 時，增加軸向載荷比是有利的；當軸向載荷比高于0.4時，增加軸向載荷比是不利的。

（2）混凝土強度對結(jié)構(gòu)件的初始抗扭剛度有很大影響。混凝土強度的增加對鋼筋混凝土強度增加是有利的。而軸載比、彎扭比、縱向配筋率設計參數(shù)對結(jié)構(gòu)件的初始抗扭剛度的影響較小。