基于刚度退化的钢筋混凝土柱破坏的研究

李 博,聂高志

(河南大学土木建筑学院,河南 开封 475004)

钢筋混凝土框架结构是我国建筑结构广泛应用的结构形式之一,框架柱构件作为现代建筑主要的承重构件,在工程抗震中扮演着重要的角色。我国现阶段的“三水准两阶段”基于承载力的抗震设计理论[1],对钢筋混凝土构件的变形性未能给出定量的指标,从某种意义上说“三水准两阶段”抗震设计理论已经有了基于性能设计的雏形[2]。但其与目前国际上先进基于性能的抗震设计方法还有一定的差距[3]。本文提出了以描述构件破坏的状态且能适应现代工程结构的抗震需求基于性能设计的抗震方法。并分析了钢筋混凝土框架柱构件刚度退化的过程,研究构件在不同荷载条件下的变形性能指标,验证其能否达到一定的机理性能要求,以期获得钢筋混凝土柱构件在不同地震水准下的性能指标。

1 试验概述

1.1 钢筋混凝土框架柱构件的设计

参照《混凝土结构设计规范》[4],试验制作了6根框架柱构件,所采用混凝土构件强度均为C30等级,根据《混凝土结构试验方法标准》进行标准条件下养护制备[5]构件混凝土及所用钢筋详细参数如表1所示屈服后控制每级位移循环3次。

表1 钢筋基本参数

1.2 变量控制及加载方式

取Z1、Z2、Z3、Z4的钢筋混凝土柱构件,控制体积配箍率与箍筋直径为变参数,C1、C2、的钢筋混凝土构件采用不同大小竖向荷载以其轴压比为变参数,试验加载时首先采用水平荷载分级加载至钢筋混凝土柱构件达到屈服荷载,随后采用位移加载的形式,控制每级位移加载为构件屈服时位移的1Δy、2Δy、3Δy,构件达到屈服后控制每级位移循环3次[6]。

2 本构关系及模型参数设置

基于应力空间和基于应变空间的两类混凝土的本构模型,弹塑性损伤本构关系可以较为准确的描述构件材料的非线性相互作用,故本文采用软件程序中提供的塑性损伤模型[7],钢筋采用《钢筋混凝土结构设计规范》推荐的双折线模型。

本文采用ABAQUS有限元软件对钢筋混凝土梁柱试件进行模拟,混凝土构件以三维实体单元C3D8R建立,内部箍筋和纵向钢筋采用T3D2行架单元进行分析,最后通过有限元软件导出应力-应变云图与试验结果对比。在模型建立时为确保拟合结果与试验结果的准确性,网格划分精度以50mm为一个尺寸单位,混凝土柱构件模型建立与网格划分如图1所示。

图1 钢筋混凝土构件网格划分

在Abaqus建立模型时,混凝土构件模型材料属性泊松比设置为0.2,所采用钢筋材料属性的泊松比设为0.3膨胀角为30°混凝土框架柱构件地梁的底部与基础接触部分设置为固端约束,用*ENCASTRE使固定端沿任意方向的位移和转角均被约束[8]。

3 试验结果与数据分析

3.1 位移延性

通过建立有限元仿真模型得到混凝土构件应力云图如图2所示,通过整理试验数据,将构件荷载循环最大值点相连接,取其外包线作为构件的包络线,分析构件在不同加载阶段时的抗震性能[9]。

根据图3的曲线,构件轴压比越大则构件峰值越大,钢筋混凝土构件的最大峰值荷载与其轴压比两者呈正相关,曲线中斜率的绝对值越大则表示构件的屈服时间越短,达到极限荷载时的过程越快,且延性越差的构件其对应的峰值位移也越小[10]。具有相同配箍率的钢筋混凝土构件,箍筋间距越大构件的延性越低。

3.2 损伤分析与刚度退化

混凝土试验构件刚度的退化是由加载过程中构件的损伤累积和构件位移的幅值增大引起的,随着加载次数增多,构件的抗疲劳性能呈下降趋势,从而导致混凝土构件的割线刚度不断下降,图4列出了C1、C2与Z1、Z2、Z3、Z4两组构件的割线刚度随加载次数变化的组合曲线。

图4 刚度退化关系图

3.3 试件的能量耗散能力对比与分析

钢筋混凝土试件受地震荷载作用时结构整体会吸收能量,构件在达到屈服之前近似为弹性体,此阶段吸收的能量会以弹性势能的形式完全释放,构件屈服后部分能量通过阻尼消能、塑性吸能将结构内部能量进行耗散,本文根据《建筑抗震试验方法规范(JGJ101-96)》推荐的公式进行计算,最终得到能量耗散系数及各试件耗能指标如图5所示。

图5 能量耗散系数变化曲线

由图5中可得,实验所用的钢筋混凝土构件耗能系数出现两种变化：一种为随加载位移的增大而变缓,一种为随加载位移的增大而减小的情况。其中上升段过程出现前期速率较大,而后有平缓的阶段。钢筋混凝土构件在达到屈服时,其与地梁相接的底部区域弹塑性变形随加载位移的增大而增大,在核心区混凝土材料破坏后,其内部钢筋起到抵抗承载力作用,故构件位移出现缓慢增大趋势,由于钢筋材料屈服强度较混凝土材料大,在加载后期,构件整体的弹性变形所占百分比增大,耗能系数有降低趋势。

4 结论

(1)随轴压比的降低构件的延性有所增大,而构件屈服点和极限承载力大小随之减小,钢筋混凝土构件延性随试验的轴压比增大略有降低,且增大配箍率也能有效改善构件的延性,随着轴压比的增大构件的屈服荷载、峰值荷载均有所增加。

(2)钢筋混凝土柱构件受地震荷载作用的初期刚度退化较明显,构件的轴压比越大则其割线刚度也较大,构件割线刚度随荷载作用前期衰减幅度较快,在加载后期试件整体屈服,刚度衰减速率逐渐变缓。

(3)构件在破坏初期处于未完全屈服状态,受累积损伤的影响不显著,而构件的随荷载的作用产生的弹塑性变形会加大对试件的损伤程度；构件随往复荷载作用时间增长,破坏效果显著增大,位移量增加,累计耗能对构件的损伤起主导作用。