轴压比对RC短柱受剪性能的影响机理.pdf

第 卷第 期 年 月土木工程与管理学报 .:./.收稿日期:修回日期:作者简介:郑家乐()男浙江绍兴人硕士助教研究方向为钢筋混凝土结构抗震(:.)基金项目:国家自然科学基金()城市基础设施智能化浙江省工程研究中心项目()浙江理工大学科技与艺术学院院设科研项目()轴压比对 短柱受剪性能的影响机理郑家乐 付 李(.浙江理工大学科技与艺术学院 建筑工程学院 浙江 绍兴.江南大学 环境与土木工程学院 江苏 无锡)摘 要:为了研究轴压比对钢筋混凝土短柱受剪性能的影响机理应用三维刚体弹簧元法模拟了不同轴压比短柱在单调及循环荷载作用下的破坏过程并结合梁 拱抗剪机制模型和开裂变形模式对受剪性能进行了分析 研究结果表明:随着循环次数的增加抗剪承载力逐渐退化轴压比的增大加剧了退化趋势这主要是高轴压比使短柱发生更加明显的脆性破坏产生了更多裂缝从而使梁机制中混凝土抗剪作用急剧退化关键词:钢筋混凝土短柱 轴压比 受剪性能 三维刚体弹簧元法 机理研究中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):()().:在地震作用下钢筋混凝土短柱往往由于循环往复加载发生脆性剪切破坏随着高层建筑的发展轴压比逐渐增大这一趋势变得更加明显作为抗震设计重要的影响参数众多学者开展了轴压比对抗震性能影响的研究研究结果表明高轴压比可以提高钢筋混凝土柱水平荷载作用下的承载能力而刚度与延性的退化会进一步加剧 但现有轴压比研究尤其是循环荷载作用下其对抗震性能影响的机理较少 循环荷载作用下钢筋混凝土柱抗剪承载力随着循环次数的增加逐渐降低 等应用三维刚体弹簧元法研究了承载力退化的机理以及剪跨比对退化机理的影响但该研究对象所采用的轴压比较小无法体现高轴压比时的变化情况针对以上问题本文应用三维刚体弹簧元法模拟了不同轴压比下钢筋混凝土短柱的破坏并 第 期郑家乐等:轴压比对 短柱受剪性能的影响机理结合梁 拱模型对结果进行分析深入研究了轴压比以及循环荷载对钢筋混凝土短柱抗震性能的影响机理 短柱三维刚体弹簧元模型.三维刚体弹簧元法刚体弹簧元法是 基于离散元建立的数值模拟方法等在此基础上提出采用 法对混凝土单元进行随机划分该方法可以有效模拟裂缝的开展消除结果对单元形状的依赖性 随后 等将二维刚体弹簧元模型拓展为三维刚体弹簧元模型并明确了混凝土及钢筋的本构关系 郑家乐付李等应用三维刚体弹簧元模型模拟了不同截面尺寸钢筋混凝土构件在循环荷载作用下的受剪性能证明了该模型对钢筋混凝土构件受剪性能以及尺寸效应研究的适用性?(b)?(c)?Voronoi(a)?图 三维刚体弹簧元模型图 为三维刚体弹簧元模型示例在该模型中混凝土单元被建模为一系列不规则的多面刚体每个刚体单元具有 个平动自由度与 个转动自由度刚体与刚体之间的边界面设置有 个法向弹簧和 个切向弹簧裂缝的产生与发展通过边界面上弹簧的受力状态或相邻刚体的位移来表示 因此通过该模型可定量分析裂缝宽度对钢筋混凝土构件在加载过程中承载力变化的影响机理.三维刚体弹簧元模型验证基于文献中截面尺寸为 轴压比为.的钢筋混凝土短柱建立了三维刚体弹簧元模型并通过施加循环荷载作用对三维刚体弹簧元模型的适用性进行验证图 为短柱试验与模拟的破坏模式对比其中模拟图为短柱中间截面的开裂变形模式图中从深蓝色到红色表示裂缝宽度从.增至.从图中可以看出在循环荷载作用下钢筋混凝土短柱发生脆性剪切破坏剪切斜裂缝从加载点一直延伸至短柱根部同时在短柱两侧产生细微的水平裂缝模拟所得破坏模式与试验结果相吻合 图 为短柱在循环荷载作用下试验与数值模拟所得骨架曲线对比从图中可以看出模拟所得的初期刚度、骨架曲线趋势以及峰值荷载等与试验所得基本相符 通过以上对比验证表明三维刚体弹簧元模型可以较好地模拟钢筋混凝土短柱在循环荷载作用下的破坏过程0.010.1?/mm(a)?(b)?图 短柱破坏模式对比?/kN-10-5510-1000-800-600-400-20002004006008001000?/mm?图 骨架曲线对比.三维刚体弹簧元模型的建立为了精确研究轴压比对钢筋混凝土短柱受剪性能的影响排除其他参数对研究结果的影响本研究建立了如图 所示的三维刚体弹簧元短柱模型 其中混凝土材料强度等级为 纵筋采用 级钢筋箍筋采用 级钢筋 在建模过程中首先设置混凝土单元平均尺寸为 通过程序随机布点来确定混凝土单元质心位置建立混凝土单元随后应用梁单元来建立相应的受力钢筋钢筋与混凝土单元通过零尺寸的链杆单元进行连接如图 所示 图 为钢筋材料的应力 应变曲线其中 为钢筋的屈服强度为钢筋的弹性模量图 为混凝土与钢筋的粘结 滑移模型在达到最大切应力峰值前后分别采用了 和 提出的模型模型中箭头表示循环荷载作用下的加载与卸载过程和 为滑移量 同时为了简化计算在模型中通过刚性夹板的形式来模拟短柱底座该方式对整体研究影响较小 数值计算时 采用 土木工程与管理学报 年(a)?(b)?150420330900图 短柱三维刚体弹簧元模型/?图 钢筋模型荷载控制法对顶部的加载板进行竖向加载竖向荷载分十级加载直至达到所研究轴压比对应竖向荷载值 本研究所需轴压比分别为.(b)?-?(a)?-?ssfy-fyEssS21231045678911maxS1=0.2 mmS2=0.4 mm0.1max-0.1maxS1图 钢筋的应力 应变及粘结 滑移曲线.水平荷载的施加采用位移控制法以屈服位移为位移幅值逐级加载每一级荷载施加一个循环直至短柱破坏 数值模拟结果图 为轴压比 不同取值时的钢筋混凝土短柱荷载 位移曲线其中 表示循环荷载作用下的滞回曲线 表示单调荷载作用下的荷载 位移曲线 分别表示经过一次循环两次循环后的荷载 位移曲线其中经过 次循环指的是对短柱施加 次标准循环荷载然后再对其施加单调荷载直至破坏 从图中可以看出不同轴压比下钢筋混凝土短柱的滞回曲线基本相似加载初期试件处于线弹性阶段抗剪承载力逐渐升高刚度变化较小随着荷载的增大以及循环次数的增多试件的刚度逐渐退化每一循环后的抗-10-50510-200-1000100200-10-505?/kN(b)=0.4nCMC-1C-2CMC-1C-2CMC-1C-2?mm/(a)=0.2n?mm/-200-1000100200?/kN-200-1000100200?/kN10-10-50510?mm/(c)=0.6n图 短柱荷载 位移曲线剪承载力峰值逐渐降低同时该峰值荷载随着轴压比的增大而增大取每一次循环后的峰值点作抗剪承载力与轴压比的关系曲线如图 所示 由图 变化趋势可知单调荷载作用下钢筋混凝土柱的抗剪承载力随着轴压比的增大而增大相比于轴压比为.时轴压比为.的短柱抗剪承载力提高了 而对于同一轴压比短柱轴压比越大两次循环荷载后抗剪承载力下降越剧烈当轴压比为.时短柱两次循环荷载后的抗剪承载力相比于单调荷载下降了 当轴压比为.时下降比例达到0.20.40.60.850100150200?kN/?0图 抗剪承载力变化趋势了 通过以上分析表明在一定轴压比范围内随着轴压比的增大短柱的抗剪承载力逐渐提 第 期郑家乐等:轴压比对 短柱受剪性能的影响机理高但高轴压比也加剧了循环荷载作用下抗剪承载力的削减幅度 机理分析基于梁 拱模型对钢筋混凝土短柱抗剪承载力进行分解如图 所示的分解模型为取剪跨段积分单元长度 后由力的平衡状态所得图中和 是由纵向钢筋提供的拉力和压力为混凝土的受压合力为混凝土的受拉合力为纵向受拉钢筋和受压钢筋作用中心点之间的力臂长度为混凝土中受压合力点与柱轴线之间的力臂长度为混凝土中受拉合力点与柱轴线之间的力臂长度 外荷载 可以分解为 和如式()()所示:(a)?(b)?(c)?CcVaVaCcdjCcdxTcTcdjTcdCsCcdxjsdTsC+CccdT+TccddxdTsdCsVbVbdCcjCcdTcjTcTc图 抗剪作用分解模型 ()式中:为拱机制提供的抗剪作用()()式中:为梁机制提供的抗剪作用可进一步分解为 和 如式()()所示:/()式中:为箍筋提供的抗剪作用为箍筋的截面积为箍筋的应力 为有效臂长 为系数 为截面有效高度 为箍筋间距 ()式中:为混凝土提供的抗剪作用图 为不同轴压比短柱在单调荷载作用下荷载 位移曲线的分解结果从图中可以看出分解所得结果()与外荷载曲线基本相符同时根据分解结果可以清楚地知道加载过程中各部分抗剪机制的变化趋势 加载初期短柱的抗剪作用主要由梁机制中的混凝土提供 而拱机制提供的抗剪作用上升较缓 随着荷载增大以及剪246810246810246810(b)=0.4n(a)=0.2n(c)=0.6n200150100500?mm/?/kNVV VVVVV+ababcs200150100500?/kN?mm/?mm/VV VVVVV+ababcs200150100500?/kNVV VVVVV+ababcs图 抗剪作用分解结果切斜裂缝的形成拱机制的作用急速上升而梁机制中混凝土提供的作用逐渐下降箍筋提供的抗剪作用从一开始的较小值急剧增大峰值荷载后短柱的抗剪承载力逐渐下降其中拱机制以及梁机制中混凝土提供的抗剪作用均下降而梁机制中箍筋提供的抗剪作用继续缓慢升高直至稳定取不同轴压比柱的梁拱抗剪作用峰值点作随着轴压比变化的趋势如图 所示 从图中可以看出随着轴压比的增大拱机制的变化趋势基本相同而梁机制提供的抗剪作用在两次循环荷载后削减更多当轴压比为.时相比于单调荷载两次循环后的抗剪作用下降了 而当轴压比为.时抗剪作用下降了 将梁机制进一步分解为混凝土提供的抗剪作用 和箍筋提供的抗剪作用 如图 所示0.20.40.6100500?/kN100500?/kN0.20.40.6?(a)?Va(b)Vb?图 和 变化趋势?100500?/kN100500?/kN0.20.40.60.20.40.6?(a)?Vc(b)V?s图 和 变化趋势 土木工程与管理学报 年从图中可以看出循环荷载作用下轴压比越大短柱的抗剪承载力下降越剧烈这是由于梁机制中混凝土提供的抗剪作用急剧降低 同时由图可知箍筋提供的抗剪作用影响较小这主要是因为当达到峰值荷载时箍筋均已趋于或达到屈服状态因此变化程度基本一致图 分别为达到峰值荷载 时短柱沿 轴中间截面的主应力与裂缝 在主应力对比图中从绿色到红色表示应力值从 增至 裂缝对比图中从蓝色到红色表示裂缝宽度从.增至.从两个对比图可以看出在单调荷载作用下高轴压比抑制了裂缝的开展从而使短柱整个剪跨段内应力范围更广应力值更大但是随着循环次数的增加高轴压比短柱在剪跨范围内产生了数量更多、宽度更大的裂缝尤其是在剪跨中部也就是梁模型范围内从主应力图中也可以看出相比于低轴压比短柱高轴压比短柱在两次循环后应力值急剧下降xyz?zn=0.2?(Vmax=163 kN)020?/MPan=0.6?(Vmax=185 kN)n=0.2?(Vmax=121 kN)n=0.6?(Vmax=128 kN)图 峰值点主应力对比xyz?/mm0.11.0?zn=0.2?(Vmax=163 kN)n=0.6?(Vmax=185 kN)n=0.2?(Vmax=121 kN)n=0.6?(Vmax=128 kN)图 峰值点裂缝对比 以上分析表明单调荷载下随着轴压比的增大短柱的抗剪承载力提高这主要是因为高轴压比抑制了裂缝的开展提高了剪跨范围内整体应力值随着循环次数的增加高轴压比短柱相比于低轴压比短柱在剪跨范围内产生了数量更多、宽度更大的裂缝尤其是在梁机制作用部分这极大地降低了梁机制中混凝土的抗剪作用 结 论本文结论为:()通过与试验对比验证了三维刚体弹簧元法对钢筋混凝土短柱在循环荷载作用下受剪性能研究的适用性()在单调荷载作用下钢筋混凝土短柱的抗剪承载力随着一定范围内轴压比(.)的增大而提高这主要是由于高轴压比抑制了剪跨范围内剪切斜裂缝的开展提高了短柱整体应力值()在循环荷载作用下一定范围内轴压比(.)的增大加剧了钢筋混凝土短柱抗剪承载力的退化程度这主要是因为循环荷载使短柱在剪跨中部产生了数量更多、宽度更大的裂缝从而降低了梁机制中混凝土提供的抗剪作用()循环荷载作用下钢筋混凝土短柱中箍筋均已趋于或达到屈服状态轴压比对箍筋提供的抗剪作用影响较小 第 期郑家乐等:轴压比对 短柱受剪性能的影响机理参考文献 顾祥林 蔡 茂 林峰.地震作用下钢筋混凝土柱受力性能研究.工程力学 ():.解咏平 李振宝 杜修力 等.高轴压比足尺钢筋混凝土短柱抗震性能研究.世界地震工程():.解咏平 贾 磊.不同轴压比大尺寸钢筋混凝土柱抗震性能研究.工业建筑 ():.宋 坤 李振宝.不同加载角度与轴压比下 短柱抗震性能试验研究.世界地震工程 ():.():.():.():.():.():.():.():.郑家乐 付李 王登峰.刚体弹簧元法对钢筋混凝土悬臂梁剪切破坏尺寸效应的模拟应用.应用力学学报 ():.付李 郑家乐 王登峰.循环荷载作用下钢筋混凝土短柱受剪性能尺寸效应机理分析.振动与冲击 ():.李振宝 解咏平 杜修力 等.钢筋混凝土短柱受剪性能尺寸效应研究.土木工程学报 ():.():.:.:.