CRB600H级箍筋混凝土短柱抗震性能研究.pdf

第 卷 第 期 年 月世 界 地 震 工 程 .收稿日期:修回日期:基金项目:河北省自然科学基金项目()河北省创新研究群体项目()邯郸市科技专项计划项目()河北省全职引进高端人才科研项目()作者简介:赵丽洁()女博士副教授主要从事结构健康监测研究:.通信作者:练继建()男博士教授主要从事工程水力学与水利水电工程安全方面的研究:.文章编号:():./.级箍筋混凝土短柱抗震性能研究赵丽洁朱崎峰练继建沈金生(.河北工程大学 土木工程学院河北 邯郸 .天津大学 建筑工程学院天津)摘 要:为研究高强箍筋混凝土柱抗震性能通过对 级高强箍筋混凝土短柱低周往复加载试验展开数值模拟研究 利用 中的 单元、零长度截面转动弹簧单元和零长度剪切弹簧单元建立了考虑弯剪耦合效应的抗震数值分析模型 分析轴压比、剪跨比对 级箍筋柱的滞回性能、刚度退化、延性及耗能性能的影响并以 级箍筋柱进行对比分析结果表明:轴压比越大的构件水平抗剪承载力延性和耗能能力越差剪跨比越大构件的水平抗剪承载力越低延性和耗能能力越好 级和 级箍筋柱两者承载力接近 级箍筋柱延性和抗震性能更好关键词:钢筋 钢筋混凝土柱 抗震性能中图分类号:.文献标识码:(.):.:.:引言地震灾害是人类至今无法准确预测的自然灾害之一 在地震发生时柱作为建筑结构的主要承重构件世 界 地 震 工 程第 卷柱的破坏会导致建筑结构产生严重破坏柱的抗震性能对整体结构起着决定性作用 与普通钢筋相比采用高强钢筋作为柱中箍筋对于柱中核心混凝土约束作用更强可以减少工程中的用钢量 随着对高强钢筋的研发为进一步推广高强钢筋在工程中的应用范围研究者分别开启了各类高强钢筋混凝土柱的受力及抗震性能的研究早期史庆轩等和 等通过对钢筋混凝土柱开展拟静力试验通过改变配筋强度、配箍率和剪跨比等参数对比研究了 级箍筋柱和 级箍筋柱的抗震性能的差异韩小雷等和万海涛等通过试验以及有限元软件对比了 级高强箍筋柱与 级箍筋柱的抗震性能上存在的差异 等通过试验的方法研究了配筋强度、配箍率和剪跨比对高强箍筋约束高强混凝土短柱抗震性能的影响 钢筋是我国近年来研发的一种高强钢筋 钢筋经过冷轧后经热处理的具有较高延性可用于梁、柱箍筋和剪力墙的分布钢筋具有广阔的应用前景 郝欣等和刘伦等对 级箍筋柱与 级箍筋柱进行拟静力试验 结果表明:级箍筋柱与 级箍筋柱水平抗剪承载力接近 级箍筋对于混凝土的约束作用更好 级箍筋柱的抗震性能更好目前国内关于 级箍筋柱抗震性能研究较少构件设计参数主要集中在大剪跨比(最小为.)柱的配箍率和混凝土强度的变化受限于试验设计成本限制尚未开展关于小剪跨比短柱不同轴压比构件抗震性能研究 为此本文采用 软件在已有 级箍筋柱抗震性能试验基础上建立有限元模型将 分析结果与试验结果进行对比分析通过试验验证数值分析模型的准确性 同时进行扩大参数分析对不同轴压比(.)与剪跨比(.)下的 高强箍筋与 级箍筋柱的抗震性能进行了数值模拟分析为 钢筋在实际工程中的应用提供参考模型建立.数值分析模型本文利用 建立数值分析模型选取基于柔度法理论的梁柱单元 本文建立的数值分析模型如图 所示 其中:节点 和 节点 和 节点 和 之间依次为零长度截面转动弹簧单元、零长度剪切弹簧单元和非线性梁柱单元分别用于模拟试验过程中柱底纵筋产生的粘结滑移、柱的剪切变形以及弯曲变形 图 计算模型 图 滞回规则 .混凝土本构本文混凝土材料本构选取 中的 材料模型采用 模型对混凝土结构进行数值模拟具有很好的精度模型受压滞回规则如图 所示 中 模型在分析时只需确定混凝土的峰值应力、峰值应变、极限应变及相应的强度本文根据数值模拟效果选用 模型为箍筋约束的核心混凝土的本构模型 由于 模型中对于约束混凝土抗压强度 计算过程比较繁琐参考 模型中给出的约束混凝土抗压强度 的近似计算公式如下式:()()式中:.和 是考虑由箍筋约束效应引起混凝土强度提高的参数 .第 期赵丽洁等:级箍筋混凝土短柱抗震性能研究(.).(.).和 是混凝土两个方向的有效约束应力 混凝土的极限应变及相应的强度由下式求得:.()()式中:为混凝土极限应变 为混凝土极限应变时的压应力 为箍筋最大拉应力对应的拉应变 .钢筋本构图 钢筋模型.本文钢筋材料采用 中的 钢筋材料模型其应力应变模型基于 模型如图 所示 模型对低周往复加载试验能够很好的模拟且收敛效果好 模型本构参数主要包含:弹性模量、屈服强度 和钢筋硬化率 以及对 滞回关系进行调整的、和 三个参数 中建议范围为:.本文中:和 等参数由试验结果确定.滑移材料试验过程中柱底纵筋与混凝土之间会产生粘结滑移其材料模型选取 等提出的 模型该模型能很好的模拟试验中产生的钢筋粘结滑移变形粘结滑移骨架曲线如图 所示 钢筋滑移材料模型由、和 等参数控制其中:为钢筋弹性模量 为钢筋屈服应力 为屈服滑移量 为极限应力 为极限滑移量 为刚度折减系数 为钢筋在循环荷载下的捏缩系数 计算公式如下:.()/.()式中:为纵筋直径 是局部粘结滑移参数根据 取.为纵筋屈服强度 为混凝土轴心抗压强度 另根据经验计算可得:()取(.)取(.)模型的滞回规则如图 所示图 应力滑移骨架曲线图.图 模型的滞回规则.世 界 地 震 工 程第 卷.剪切材料本构本文使用 提出的剪切失效模型 该剪切失效模型使用 和 的共同作用来定义剪切弹簧的加卸载滞回规则 发生破坏时构件的位移构成如图 所示 在建模中捏缩参数 和 的取值范围为 到 的区间参考文献取.本文损伤参数 和 均取 图 柱位移模型.用于判别剪切破坏的发生以及确定发生剪切破坏后剪切弹簧的骨架曲线 当剪切破坏发生时混凝土柱的总响应由非线性梁柱单元的弯曲变形和剪切变形时的响应组成弹簧剪切退化刚度和总响应的刚度退化系数 可由下式计算:()()式中:表示梁柱单元的卸载刚度 为柱的水平抗剪承载力 为剪切破坏时柱的总位移 为柱轴力失效时的总位移 ./.()()()式中:为剪切破坏时柱的总位移 为柱的净高度 为配箍率 为截面最大剪应力 为混凝土圆柱体抗压强度 为轴力为柱的毛截面面积为柱轴力失效时的总位移 为箍筋间距为抗剪箍筋面积为箍筋屈服强度 为柱核心区混凝土的高度 为剪切斜裂缝与水平方向的夹角一般取 当位移延性系数 时.当位移延性系数 时.延性系数介于 时 的取值在.范围内线性变化数值模型验证.选取试验数据文献开展了 根不同参数的钢筋混凝土柱低周往复加载试验 本文选取其试验中的、和 的钢筋混凝土柱进行数值模拟验证 各构件的尺寸与材料参数见表 构件的尺寸与配筋如图 所示第 期赵丽洁等:级箍筋混凝土短柱抗震性能研究图 构件截面尺寸及配筋.表 构件尺寸与材料参数 试件/()/箍筋肢数.注:为柱高 为混凝土轴心受压强度 为纵筋屈服强度 为箍筋屈服强度 为轴压比.数值模拟结果)根据试验中的、和 构件参数分别建立数值分析模型数值模拟结果与试验结果对比如图 所示 对比试验滞回曲线与数值分析滞回曲线两者吻合程度很好 由于试验加载末尾阶段会出现箍筋突然断裂这属于强非线性现象数值模拟结果与试验结果会出现一定的偏差但总体模拟结果较为准确图 试验与模拟结果对比.)试验与数值模拟骨架曲线对比如图 所示 在位移加载初始阶段构件的力位移曲线呈线性增长此时构件足够抵抗变形构件裂缝能够闭合数值模拟与试验结果比较接近随着加载的持续构件逐步达到峰值承载力此时数值分析结果与试验结果吻合在加载末期由于试验中应变片处的箍筋打磨等原因导致加载世 界 地 震 工 程第 卷中箍筋断裂构件突然丧失承载力数值模拟骨架曲线与试验骨架曲线出现一定偏差但总体趋势保持一致图 试验与模拟骨架曲线对比.)由表 可知试验结果与数值模拟结果基本吻合其中:试验负向屈服荷载与模拟值相差最大这是因为构件 在加载时没有完全对中导致正向和反向加载时骨架曲线和承载力相差较大 其余构件的数值模拟结果和试验结果在各特征点的荷载基本吻合 因此可以认为数值模拟的结果具有较高的可靠性表 试验和模拟力学性能对比 试件名称加载方向屈服荷载计算值/试验值/偏差/峰值荷载计算值/试验值/偏差/正.负.正.负.正.负.正.负.正.负.构件参数化分析为保证数值模拟结果的准确性本文采用文献中 构件的各项数据通过调整构件的轴压比和剪跨比对比 级箍筋混凝土柱与 级箍筋混凝土柱的抗震性能因此在数值模拟中所需要扩展模拟工况如下:)通过改变剪跨比研究不同剪跨比 级箍筋柱的抗震性能)扩大轴压比范围研究轴压比对 级箍筋柱抗震性能的影响)配置相同参数的 级箍筋柱研究 级箍筋混凝土柱与 级箍筋混凝土柱的抗震性能的差异 构件主要设计参数见表 第 期赵丽洁等:级箍筋混凝土短柱抗震性能研究表 构件参数 试件名称箍筋箍筋型号纵筋.注:代表 钢筋 代表 钢筋 代表 钢筋 为剪跨比 为轴压比.滞回性能通过 建立的经验证过有限元模型进行分析计算部分构件的滞回曲线如图 所示图 滞回曲线.世 界 地 震 工 程第 卷)通过对图()图()分析可知:在其他条件相同时伴随着轴压比的降低构件滞回曲线趋于饱满相反轴压比越大构件的滞回曲线更加狭长 说明随着轴压比的增大构件的滞回性能变差抗震性能变差)通过对比图()图()以及图()和图()当其他条件相同时分析不同剪跨比构件的滞回曲线可知:随着剪跨比的减小构件峰值承载力增大其中剪跨比为.的构件峰值承载力最高但其滞回曲线趋于狭长滞回循环的圈数减少随着剪跨比的增大构件的水平抗剪承载力降低构件滞回循环圈数增加滞回环更加饱满滞回性能更好)对比图()和图()、图()和图()以及图()和图()在剪跨比与轴压比相同时对比 和 级箍筋柱分析可以得出:箍筋柱滞回曲线更为饱满当高轴压比时对比构件 和 构件 和 箍筋柱相比 箍筋柱极限位移分别降低了 和.可见使用 箍筋可以改善混凝土柱的滞回性能提高柱的抗震性能.骨架曲线图 为 模拟获得的部分构件骨架曲线可以看出:图 骨架曲线.)由图()图()可知:构件的承载力由 的.增加到 的.的.增加到 的.的 .增加到 的 .由此说明:轴压比越大的构件水平抗剪承载力越大 轴压比越大构件骨架曲线上升阶段达到峰值承载力更早下降阶段承载力衰减更迅速构件破坏时极限位移更小 轴压比越大构件水平抗剪承载力升高但延性和滞回性能变差)由图()图()可知:在其他条件相同时 种剪跨比构件、和 的最大水平抗剪承载力分别为.、.和 .极限位移为.、.和.随着剪第 期赵丽洁等:级箍筋混凝土短柱抗震性能研究跨比减小构件骨架曲线上升阶段达到峰值承载力更早下降阶段承载力衰减更迅速构件破坏时极限位移更小 剪跨比越大构件的承载力降低延性和抗震性能更好)对图()图()分析当其他条件相同时对比 和 级箍筋柱可知:级箍筋柱与 级箍筋柱水平抗剪承载力接近 峰值荷载后由于 级箍筋对于混凝土的约束作用更好骨架曲线在峰值荷载后下降平缓 级箍筋柱的骨架曲线在峰值荷载后下降更加陡峭与 级箍筋柱相比 级箍筋柱延性和变形能力更小.刚度退化不同设计参数构件的刚度退化曲线对比情况如图 所示图 刚度退化.本文中构件刚度退化情况通过割线刚度来判定表达式如下 ()式中:为第 次循环的割线刚度平均值和为第 级加载时构件正和反方向的峰值点对应的荷载值和为第 级加载时构件正和反方向峰值点对应的位移值)从图()图()可以看出:随着轴压比的增大构件初始割线刚度值越大但随着轴向压力越大在位移加载过程构件裂缝发展较快刚度曲线下降更加迅速加载末期的残余刚度更小随着轴压比的减小构件裂缝发展相对缓慢刚度曲线下降较为迟缓残余刚度更大)从图()图()可以看出:剪跨比越小的构件初始刚度越大如 的初始割线刚度是 初始割线刚度的.倍剪跨比小的构件的刚度衰减迅速剪跨比大的构件初始割线刚度更小刚度曲线下降更加平缓原因是剪跨比较小的构件抗侧刚度大构件水平剪力较大发生剪切脆性破坏随着位移加世 界 地 震 工 程第 卷载构件刚度退化较快)从图()图()可以看出:级箍筋柱与 级箍筋柱刚度退化曲线比较平滑没有出现刚度突降二者曲线基本重合 在位移加载初始阶段刚度曲线随位移增加下降较为明显随着位移加载的持续刚度曲线下降趋于缓慢在构件发生破坏后仍具有足够的残余刚度表明 级箍筋柱具有良好的抗震性能.延性分析本文中构件的延性通过位移延性系数 和极限位移角 来判定如式()和式()所示/()/()式中:为位移延性系数为柱的极限变形 为柱的屈服变形为极限位移角 为柱高 极限变形取峰值荷载下降到 时所对应的水平位移 根据数值模拟结果将构件的位移延性系数计算并整理见表)构件 的延性系数是构件 和 的.倍和.倍构件 极限位移与构件和 相比分别提高.和.分析表明:随着轴压比增大构件的 效应明显比低轴压比显著构件裂缝发展更快到加载后期构件的破坏程度明显承载力下降迅速轴压比越大构件极限位移、变形能力都呈下降趋势)构件 的极限位移分别为构件 和 的.倍和.倍构件 的极限位移分别为构件 和 的.倍和.倍 可见:构件剪跨比越大构件的极限位移更大延性系数更高主要由于剪跨比越大构件发生破坏时弯曲变形所占比例越大故随着剪跨比的增大构件的延性更好)配置 级箍筋的构件除构件 以外其余各构件的位移延性系数均大于 极限位移角大于建筑抗震设计规范()要求的/表现出良好的延性性能 在配置 箍筋构件中、与 延性系数小于 极限位移角小于/在剪跨比与轴压比条件相同时通过分析比较 级箍筋柱与 级箍筋柱发现:级箍筋柱延性系数更大特别是高轴压比下 级箍筋柱的延性与抗震性能更好表 构件特征数据及延性系数 试件名称加载方向屈服点/峰值荷载点/极限荷载点/延性系数极限位移角正.负./正.负./正.负./正.负./正.负./正.负./正.负./正.负./正.负./正.负./第 期赵丽洁等:级箍筋混凝土短柱抗震性能研究 续表试件名称加载方向屈服点/峰值荷载点/极限荷载点/延性系数极限位移角正.负./正.负./正.负./正.负./正.负./正.负./正.负./正.负./.耗能性能本文采用等效黏滞阻尼系数 来定量描述结构的耗能能力 将数值模拟结果整理如图 所示图 等效黏滞阻尼系数对比.世 界 地 震 工 程第 卷)从图()图()可知:在位移加载初始阶段构件的等效黏滞阻尼系数随着构件的位移推进而增加随着位移加载的持续构件等效黏滞阻尼系数出现一定波动 对比不同轴压比构件的等效黏滞阻尼系数随着轴压比的增大构件的等效黏滞阻尼系数更小构件的耗能能力降低抗震性能更差)从图()图()可以看出:位移加载初始阶段由于剪跨比较小的构件初始刚度较大构件混凝土在有很小的变形时就严重开裂耗能增加 所以位移加载初始阶段在相同位移下较低剪跨比的构件等效黏滞阻尼系数大于大剪跨比构件而剪跨比大的构件在承受荷载时缓慢变形等效黏滞阻尼系数随着位移缓慢上升在位移加载末期剪跨比较大的构件进入塑性状态等效黏滞阻尼系数逐渐超越剪跨比较小的构件)从图()图()可以看出:和 级箍筋柱的所有构件的等效黏滞阻尼系数呈现交替上升相差不大说明 箍筋混凝土柱耗能能力与 箍筋混凝土柱大致相同结论通过对 级高强箍筋混凝土短柱展开数值模拟研究利用经试验验证过的有限元模型分析轴压比和剪跨比对 级箍筋柱的抗震性能的影响并以 级箍筋柱进行对比分析得出以下结论:)对比不同轴压比的计算结果随着轴压比的增加构件的水平抗剪承载力增加随着轴压比的降低构件的滞回曲线更加饱满构件破坏时的极限位移越大构件的延性和耗能能力更好)对比不同剪跨比的计算结果剪跨比越大构件的水平抗剪承载力越低随着剪跨比的增加构件的滞回性能更好构件破坏时的极限位移更大延性和耗能能力更好)配置 级高强箍筋柱与 级箍筋柱二者水平抗剪承载力相当通过对比位移延性系数、刚度退化和等效黏滞阻尼系数等参数发现 级高强箍筋柱具有更好的延性和抗震性能参考文献:史庆轩 王朋 田园 等.高强箍筋约束高强混凝土短柱抗震性能试验研究.土木工程学报 ():.():.()史庆轩 杨文星 王秋维 等.高强箍筋高强混凝土短柱抗震性能试验研究.建筑结构学报 ():.():.().():.韩小雷 戚永乐 关柱良 等.级箍筋混凝土柱抗震性能试验研究.建筑结构学报 ():.():.()万海涛 侯文彬 禹钿龙.高强箍筋混凝土柱的耗能性能.沈阳工业大学学报 ():.():.().():.刘家慧 刘立新.调直及锈蚀对 钢筋力学和锚固性能影响试验研究.建筑结构 ():.():.()郝欣 朱爱萍 翟文 等.配置 箍筋混凝土柱抗震抗剪性能研究.建筑结构 ():.():.()刘伦 朱爱萍 翟文 等.配置 高强箍筋混凝土柱抗震抗剪性能试验研究.结构工程师 ():.():.().():.第 期赵丽洁等:级箍筋混凝土短柱抗震性能研究 .():.():.:.:.:.():.:.():.:.:.刘伦.配置 高强箍筋混凝土柱抗震抗剪性能试验研究.重庆:重庆大学.:.()胡伟强.高强箍筋混凝土柱抗震抗剪性能试验研究.重庆:重庆大学.:.()过镇海 时旭东.钢筋混凝土原理和分析.北京:清华大学出版社.:.()建筑抗震设计规范.北京:中国建筑工业出版社.:.()