钢筋混凝土柱的拟静力试验及其数值分析.pdf

第 3 2卷第 4期 2 0 1 5年 l 2月 土木工程与管理学报 J o u r n a l o f C i v i l En g i n e e r i n g a n d Ma n a g e me n t Vo 1 3 2 No 4 De e 2 0 1 5 钢 筋混凝 土柱 的拟 静力试验及 其数值分析 张耀庭， 程庆乐， 左 鸿， 马冰茜， 李纵横 ( 华中科技大学土木工程与力学学院，湖北武汉4 3 0 0 7 4 ) 摘要： 基于我国现行建筑抗震设计规范设计了一组钢筋混凝土柱， 并对其进行了拟静力试验， 获得了试验柱 的主要破坏形态、 滞回曲线及骨架曲线。试验表明， 在单调周期荷载作用下， 钢筋混凝土柱产生的破坏形式主 要是弯曲破坏 ， 破坏时柱底保护层混凝土部分剥落 ， 部分箍筋和纵筋屈服， 箍筋起到了良好的约束作用， 柱的滞 回曲线呈现弓形 ， 形状饱满 ， 具有良好的耗能能力。在试验的基础上， 以A B A Q U S为分析平台， 对试验柱建立了 基于纤维梁柱单元的数值分析模型， 通过将数值分析与试验结果的对比分析， 验证了所建立的数值模型的合理 性与可行性 ， 为深入进行钢筋混凝土柱抗震性能的研究奠定了基础。分析表明， 钢筋的本构关系对钢筋混凝土 柱的非线性数值模拟结果影响较大 ， 为保证数值分析结果的实用性， 有必要对其进行更为深入的研究。 关键词： 钢筋混凝土柱； 拟静力试验； 数值模拟； A B A Q U S ； 钢筋本构； 非线性滞 回分析 中图分类号： T U 3 7 5 3 文献标识码： A 文章编号： 2 0 9 5 - 0 9 8 5 ( 2 0 1 5 ) 0 4 - 0 0 2 7 -05 Ps e u d o - s t a t i c Te s t s o f RC Co l u mn s a n d Nu me r i c a l An a l y s i s Z H A N G Y a o t i n g ，C H E N G Q i n g l e ，Z U O H o n g， M A B i n g q i a n ， L I Z o n g h e n g ( S c h o o l o f C i v i l En g i n e e ri n g a n d Me c h a n i c s ，Hu a z h o n g Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y， Wu h a n 4 3 0 0 7 4 ，C h i n a ) Ab s t r ac t：Ba s e d o n t h e c u r r e n t c o d e f o r s e i s mi c d e s i g n o f bu i l d i n g s，t h i s p a pe r d e s i g n e d a b a t c h o f RC c o l u mns ，a n d d i d t he p s e ud o s t a t i c t e s t ，t he n i t g o t t h e ma i n d e s t r u c t i o n p a t t e r n，hy s t e r e s i s c u r v e a n d s k e l e t o n C H i l e o f t h e t e s t i n g c o l u mn T h e r e s u l t i n d i c a t e s t h a t ：Un d e r t h e c o n d i t i o n o f o n e wa y c y c l e l o a d，t h e d e s t ruc t i o n mo d e o f RC c o l u mn i s ma i n l y b e n d i n g f a i l u r e ，w h e n i t w a s d e s t ruc t e d ，p a r t o f t h e c o n c r e t e o f t h e c o a t a t t h e c o l u mn bo t t o m s t rip p e d An d s o me o f t h e s t i r r u p a n d l o n g i t u d i n a l s t e e l b a r y i e l d S t i r r up ha s a g o o d e f f e c t i n c o n s t r a i nT he h y s t e r e s i s c u r v e o f t he RC c o l u mn s h a pe d l i ke a s p i n d l e b e i n g qu i e t p l u mb， a nd po s s e s s a f a nt a s t i c c a p a c i t y o f d i s s i p a t i n g e n e r gy Ba s e d o n e x p e r i me n t r e s u l t s ， b y u s i n g t h e A B A Q U S a s t h e a n a l y s i s p l a t f o r m，t h e p a p e r e s t a b l i s h e d t h e n u ne r i c a l a n a l y s i s mo d e l f o r t he t e s t i n g c o l u mn b a s e d u p o n t he fi be r u n i t o f b e a m a n d c o l u mn T h r o u g h t h e c o mp a ri s o n o f t h e n u me ric a l a n a l y s i s r e s u l t a n d t h e e x p e r i me n t a l r e s u l t ，i t p r o v e d t h e r a ft o n a l i t y a n d f e a s i b i l i t y o f t h e e s t a b l i s h e d n u me ri c a l mo d e 1 a n d l a i d t h eu n d a t i o n o f t h e f u r t h e r s t u d y i n g of t h e R C c o l u m n S s e i s mi c p e r f o r m anc e A n a l y s i s i n d i c at e s t h a t ： s t e e l S c o n s t i t u t i v e r e l a t i o n h a s a e v i d e n t e f f e c t t o t h e s t i mu l a t i o n r e s u l t 。ma k e s i t n e c e s s a r y t o h a v e a f u rt h e r r e s e a r c h Ke y wo r d s ： r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o l u mn s ； p s e u d o s t a t i c t e s t ； n u m e ri c a l a n a l y s i s ； A B A Q U S ； c o ns t i t u t i v e mo d e l i ng o f s t e e l ；n o n l i n e a r s i mu l a t i o n o f h y s t e r e t i c b e h a v i o r 当前 ， 国内外在 由强度相对较低 的混凝 土与 钢筋材料浇筑的钢筋混凝土构件的力学性能的研 究上 ， 取得 了大量 的成果 ， 并用 以指导工程 实 践。随着材料科学 的飞速发展及我国混凝土和抗 震新规范 引的实施 ， 高强混凝土和钢筋在土木 工程 中， 得 以大力推 广和应用 ， 因而 ， 有必要 收稿 日期 ： 2 0 1 5 - 0 4 - 2 7修回 日期 ： 2 0 1 5 -08 - 1 9 作者简介： 张耀庭( 1 9 6 5 ) ， 男， 湖北红安人， 博士， 教授， 研究方向为钢筋混凝土结构的抗震减震( E m a i l ： z y t 1 9 6 5 h u s t e d u c n ) 通讯 作者 ： 程庆乐 ( 1 9 9 4 一 ) ， 男 ， 安徽安庆人 ， 研究方 向为结构工程 ( E m a i l ： 1 2 4 2 3 0 2 6 9 9 q q C O ln ) 基金项 目：国家 自然科学基金 ( 5 1 2 7 8 2 1 8 ) ； 华 中科技大学大学生创新创业训练计划项 目( 学 院项 目2 0 1 4 0 0 7 ) 第 4期 张耀庭等：钢筋混凝土柱的拟静力试验及其数值分析 2 9 载后期 ， 试件有较大 的残余变形 ， 曲线整体上很饱 图 5试验柱 滞 回曲线 1 2 3 荷载 一位移骨架 曲线 骨架 曲线是每次循环 的荷载 一位移曲线达到 最大峰值的轨迹_ 4 J ， 本次试验柱 的荷载 一位移骨 架 曲线如图 6所示 。从图中可以看 出， 试件从加 载到破坏一共经历 了4个阶段 ， 分别是 ： 线弹性阶 段 、 较短的非线性上升 阶段 、 强化阶段和最后的下 降阶段。骨架 曲线上的特征点 ， 见表 2 ， 柱 的延性 系数均大于 4， 说 明试验柱具有 良好的延性 。 图6 试验柱骨架曲线 表 2骨架 曲线的特征点 2 数 值分析 2 1 计算模型的建立 本文以有限元软件 A B A Q U S为分析平 台， 选 择基于纤维杆件的单元 ， 进行试验柱的数值建模 与分析。试验柱杆件截 面的纤维分区， 如图 7所 示 ， 考虑箍筋的约束作用 ， 混凝土被分为保护层混 凝土和核心约束混凝 土， 保护层混凝 土对模 拟结 果影响不大 ， 因此 ， 建模时本文将混凝土材料统一 定义为有约束的混凝土 。纤维单元模型从材料特 性和截面配筋布置出发 ， 可 以同时考虑轴力 和弯 矩对截面滞 回关系的影响 ， 因而理论上精度更高 ， 适用性更广 o 。 2 2 材料本构模型 数值建模时， 钢筋和混凝土材料的本构模型， 钢 筋 纤 维 保护层 混凝土 核心 区混凝土 图7 纤维杆件截面分区 混凝土 纤维积分点 0钢筋 纤维积分点 图 8 AB A Q U S中梁单元截面积分点布置 选用清华大学提供的 P Q fi b e r 子程序库中的本 构关系进行模拟 ， 梁单元使用 T i m o s h e n k o梁 B 3 1 单元 ， 如图 8所示 ， 梁单元截面上有 2 5个积分点 ， 截面的力学行为 由这些 积分点上 的行 为积分得 到。使用关键字 r e b a r 在梁单元截面 中的相应 位置插入钢筋 ， 用来模拟纵筋 的作用 ， 在 i n p文件 里面输入定义的混凝土和钢筋的本构参数 。 2 2 1 混凝土本构模型 混凝土的本构模型选取考虑抗拉强度 的混凝 土模 型 U C o n c r e t e 0 2 ， 受压骨 架线 上升段 采用 Ho g n e s t e d曲线 ， 下降段为直线 ； 受拉 骨架线 由线 性上升段和线性下降段组合 ， 受拉卸载时指 向原 点 。其滞回特性如图 9所示 。 图 9 U C o n c r e t e 0 2滞 回模型 2 2 2 钢筋本构模型 在进行混凝土构件模拟 的时候 ， 早期的学者 大都将研究的重心放在混凝 土本构 的研究上， 而 有关钢筋 的本构及其对数值模拟结果的影响研究 则相对较少。已有研究表明， 现阶段混凝土的本 构关系已近相对完善 ， 钢筋的本构关 系对数值模 型分析结果的影响程度 ， 值得深入研究 。为此 ， 本 文选取程序库 中的三种钢筋本构模型( 弹塑性随 动硬化单轴本构模型 U S t e e l 0 1 ( 图 1 0 ) ； 再加载刚 度按 C l o u g h本构退化 的随动硬化单轴本构模 型 U S t e e l 0 2 ( 图 1 1 ) ； 拉压不等强 的弹塑性随动硬化 单轴本构模 型 U S t e e l 0 3 ( 图 1 2 ) ) ， 以了解非线 3 0 土木工程与管理学报 2 0 1 5正 性数值建模时， 选用不同的钢筋本构关系对数值 计算结果 的影响情况。 R -0 一 p r 。 p s ( 3 ) ： 0 2 0 5 O O 一 p r o p s ( 3 ) = 一 0 0 1 4 0 9 3 0 0 ，一， O0 1 0 0 r l0 一。 。 。 。 0 。 4 0 0 应 变 8 图 1 0 U S t e e 1 0 1 5O 0 40 0 3O 0 - 01 0 0 0 0 O 0 。 。 应 变 0 图 1 1 U S t e e l 0 2 桩顶位移 mm ( a ) Us t e e l O 1 一0 7 f 06 0004 O02 7 002 004 0I 、 f 匝 受 0 图 1 2 U S t e e l 0 3 2 2 3 箍筋约束作用 为体现箍筋的约束作用， 选用 M a n d e r _ 8 本构 模型来考虑箍筋对核心混凝土的约束作用。考虑 箍筋约束作用后 ， 利用 Ma n d e r 本构模型计算所得 混凝土本构控制点 ， 如表 3所示。 表 3 混凝土本构控 制点 2 3 数值分析结果与讨论 图 1 3为试验柱拟静力试验 的数值模拟结果 与试验结果的对比分析示意图。 桩顶位移 mm ( b ) Us t e e l 0 2 桩顶位 移 ram ( c ) Us t e e l 0 3 图 1 3 数值模拟与试验滞 回曲线对 比 根据数值模拟 与试验结果的对 比分析 ， 由图 低 ； 试件的裂缝逐渐开展 ， 使得试件的刚度退化越 l 3可以看出 ： 来越快 ， 滞回环呈 弓形 。因此 ， 在钢筋混凝土结构 ( 1 ) 钢筋混凝土柱在拟静力试验中的力学性 构件的非线性数值分析过程 中， 有必要深入研究 能， 数值模 拟结果与试验结果基本一 致 ， 混凝 土 和选择合理的钢筋本构关系模型。 M a n d e r 本构模 型能够较好地 考虑箍筋 的约束作 ( 3 ) 从本文对试验柱整个试验过程 的模拟结 用 。 ( 2 ) 对 比图 1 3 a 、 b 、 c可 以看 出： 选用钢筋本 构 U s t e e l O 1 和 U s t e e l 0 3时， 数值模拟的滞回曲线 比试验的滞回曲线更饱满 ， 误差相对较大 ， 而选用 钢筋本构 U s t e e l 0 2时， 模 拟出的滞 回曲线 与试 验 结果的符合程度较好 ， 钢筋本构为 U s t e e l 0 2的模 拟结果是最好的。图 1 3 b中， 混凝土开裂之前 ， 曲 线基本为直线 ， 滞 回环狭长 ， 滞 回环的面积较 小； 随着加载位移的增加 ， 滞 回环 的面积逐渐增大 ， 构 件的耗能能力逐渐提高 ， 加载初始滞 回环 的形状 为“ 梭形” ， 试件加 载 刚度 和卸载 刚度也 逐渐 降 果来看， 数值模型的分析结果基本上能满足工程 实际的需要 。但是 ， 所模拟柱的滞 回曲线 ， 在加载 后期均有一定量 的偏差 ， 这可能与纤维梁柱单元 的平截面假定 、 以及未 考虑钢筋 的粘结滑移等因 素有关。 3 结 论 本文根据我 国现行建筑抗震设计规范设计了 一 组钢筋混凝土柱 ， 并对其进行了拟静力试验 ， 在 此基础上 ， 基于 A B A Q U S建立 了试验 柱基于纤维 第 4期 张耀庭等： 钢筋混凝土柱的拟静力试验及其数值分析 3 1 梁柱单元的非线性数值分析模型， 并将数值分析 结果与试验结果进行 了对 比分析 ， 得出以下结论 ： ( 1 ) 在单 调周期荷载作用 下 ， 混凝 土柱的破 坏主要是弯 曲破 坏 ， 破坏时柱底保 护层混凝 土部 分剥落 ， 部分箍筋和纵筋屈服 ， 箍筋起到了良好 的 约束作用。 ( 2 ) 试验柱的滞 回曲线呈现 弓形 ， 形状饱满 ， 能够很好 的抵抗周期荷载。说明按我国现行建筑 抗震设计规范设计 的钢筋混凝土柱 ， 具有 良好 的 抗震性能 ， 验证了规范的合理性。 ( 3 ) 基于 A B A Q U S平 台的纤维杆件单元数值 模型， 能够较好地模拟钢筋混凝土构件在拟静力 试验 中的力学性能 ， 模拟结果基本与试验结果一 致 。 ( 4 ) 本文选用的钢筋本构模型以及混凝土本 构模型 ， 在 A B A Q U S平台上能够较好地模拟钢筋 混凝土构件的滞 回性能 ， 与试验结果基本一致 ， 能 为混凝土结构抗震性能的研究提供参考。 ( 5 ) 本文模 拟分析表 明： 钢筋 的本构 关系对 钢筋混凝 土构 件 的非线 性数值模 拟结果影 响较 大 ， 选 用钢筋本构 U s t e e l 0 2时 ， 模拟 的效果 最好 ， 而选用本构模型 U s t e e l 0 1与 U s t e e l 0 3时 ， 模 拟 的 误差相对较大。因此 ， 在钢筋混凝土结构构件 的 ( 上接 第2 6页) 1 3 N e l s o n C，P e t e r s o n S RA m o r a l a p p r a i s a l o f c o s t - b e n e fi t a n a l y s i s J I s s u e s i n E n g i n e e ri n g J o u r n al o f P r of e s s i o n al A c t i v i t i e s ，1 9 8 2 ，1 0 8 ( 1 ) ： 2 1 2 5 1 4 霍尔斯特 施泰因曼 ， 阿尔伯特 勒尔企业伦理 学基础 M 李兆雄， 译上海：上海社会科学院 出版社 ， 2 0 0 1 1 5 Mi t c h a m C C o r e s p o n s i b i l i t y f o r r e s e a r c h i n t e g ri t y J S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g E t h i c s ，2 0 0 3 ， 9( 2) ： 2 73 29 0 1 6 Mi t c h a m C Wh y t h e P u b l i c S h o u l d P a r t i c i p a t e i n T e c h n i c a l D e c i s i o n Ma k i n g C T h i n k i n g E t h i c s i n T e c h n o l o g y ：H e n n e b a c h L e c t u r e s a n d P a p e r s ( 1 9 9 5 - 非线性数值分析时， 有必要对钢筋的本构模型及 其选用方式进行深入研究。 参考文献 林煌斌， 王全凤H R B 4 0 0高强钢筋混凝土柱抗震 性能分析 J 建筑结构学报， 2 0 0 8 ，( s 1 ) ， 3 6 - 4 1 G B 5 0 0 1 1 - 2 0 1 0， 建筑抗震设计规范 s G B 5 0 0 1 0 - 2 0 1 0， 混凝土结构设计规范 S 夏樟华，宗周红，钟儒勉基于双向拟静力试验的 钢筋混凝土箱型薄壁墩抗震性能 J 东南大学学 报(自然科学版) ， 2 0 1 3 ， 4 3 ( 1 ) ： 1 8 0 1 8 7 卢怡思，张耀庭， 徐茂华拟静力试验柱的数值建 模分析 J 建筑结构 ， 2 0 1 3 ， 4 3 ( s 1 ) ，1 4 5 5 1 4 5 9 陆新征 ，叶列平 ，缪志伟建筑抗震 弹塑性分 析原理、 模型与在 A B A Q U S ，MS C MA R C和 S A P 2 0 0 0上的实践 M 北京 ： 中国建筑工业出版 社 ， 2 0 0 9 潘鹏，曲 哲P Q fi b e r使用手册 E B O L 2 0 1 5 - 0 4 2 0 h t t p ： w w w 1 u x i n z h e n g n e t d o w n l o a d P Q F i b e r M a n u a1 h t m Ma n d e r J B，P r i e s t l e y M J N，P a r k RT h e o r e t i c a l s t r e s s s t r a i n m o d e l f o r c o n f i n e d c o n c r e t e f J J o u rnal o f S t r u c t u r al E n gi n e e ri n g ，1 9 8 8 ，1 1 4( 8) ：1 8 0 4 一 】 8 2 6 1 9 9 6 ) C o l o r a d o ：C o l o r a d o S c h o o l of Mi n e s P r e s s ， 1 9 9 7： 2 9 - 3 8 1 7 李伯聪微观、 中观和宏观工程伦理问题五谈 工程伦理学 J 伦理学研究 ， 2 0 1 0 ，( 4 ) ： 2 5 3 0 1 8 V e s i l i n d P A， A l a s t a i r S G 工程、 技术与环境 M 吴晓东 ，翁 端，译北京：清华大学 出版社， 20 0 3 1 9 Mi t c h a m C E n g i n e e ri n g D e s i g n R e s e a r c h a n d S o c i al R e s p o n s i b i l i t y M L a n h a m，MD：R o w m a n a n d L i t t l e fie l d，1 9 9 7 2 0 王进境域关注下工程师伦理责任归咎限度分 析 J 自然辩证法研究， 2 0 1 3 ， 2 9 ( 1 0 ) ： 3 8 43 1 1J 1 J J J 1 J