钢筋混凝土宽梁-柱抗震性能配筋方案对比研究

王剑楠，张 锋

（1.西安云帆市政工程咨询有限公司，陕西 西安 710061；2.陕西通宇公路研究所有限公司，陕西 西安 710100）

1 引言

钢筋混凝土宽梁的宽度大于支撑柱的宽度，其结构性能（剪切和弯曲）通常与普通梁结构性能有所不同，普通梁的抗剪承载能力主要由梁高决定，截面尺寸一般较大，因而普通梁的刚度较大，易使梁柱框架出现“强梁弱柱”的现象，不利于结构抗震。降低普通梁的梁高同时增大梁宽形成宽梁结构，弱化了抗弯性能，有利于实现“强柱弱梁”“强剪弱弯”的抗震延性需要，具有良好的抗剪性能[1-3]。钢筋混凝土宽梁中的箍筋配置可能会影响其对抗剪的贡献程度，即不同的箍筋配筋率具有不同的剪切箍筋强度占比。由于钢筋混凝土宽梁的尺寸变化，其挠度大于普通梁的挠度。钢筋混凝土宽梁结构从建筑角度上可以提供各种优势和需求，例如可以通过重复使用减少模板数量，从而大大降低施工成本，简化施工过程，因此已经广泛应用于建筑结构当中。

国内外研究人员对宽梁的结构性能以及在高层建筑结构中的应用展开了广泛研究。丁新中[4]探讨了高层框剪结构中宽梁的方案对比，分析了宽梁抗震性能及宽梁大量使用对高层结构的影响；黄志军等[5-7]应用钢筋混凝土弹塑性理论，探讨了宽梁-柱节点在水平地震荷载作用下的工作性能，对比研究了各类宽梁-柱节点在多种水平地震作用下的响应，最后提出了宽梁-柱节点设计的建议；朱萸等[8，9]从高层建筑中所应用的宽梁基本概念出发，指出了宽梁与普通钢筋混凝土梁结构的不同，并总结了宽梁用于高层建筑结构中的设计要点；韩珏等[10，11]以实际工程为背景，分析了宽梁宽厚比变化对宽梁转换结构抗震性能的影响，建议宽梁设计的合理宽厚比取1.83。综上所述，现有研究主要探讨了宽梁几何尺寸以及节点局部构造设计对宽梁-柱结构抗震性能的影响，部分研究者总结了宽梁配筋设计的要求与建议，但钢筋配筋率导致该类结构的抗震性能的变化规律尚存在研究不足，各类钢筋对宽梁-柱节点抗震性能的具体贡献存在不明确的结论。因此，本文主要针对各类钢筋配筋率的不同，采用多种配筋方式进行数值对比分析，探讨纵筋以及箍筋对宽梁-柱节点抗震性能的影响。

本文采用有限元分析的手段建立钢筋混凝土宽梁-柱节点模型，利用该模型对文献[12]中进行的宽梁试验进行数值分析，以验证有限元模型的有效性。在此基础上，利用有限元模型对比分析采用不同配筋率（箍筋、受拉钢筋、受压钢筋）进行加固对宽梁结构性能的影响，主要探究其抗震性能，最后给出设计建议。

2 模型建立与验证

2.1 试件尺寸

本文选取的试件与试验数据来源于Shuraim 于2012 年公开发表的论文[12]，该试验采用的试件梁尺寸：宽、跨、高分别为700mm、3000mm、180mm；试件柱的横截面尺寸：宽、长、高分别为140mm、200mm、1500mm。钢筋混凝土梁采用7φ14mm抗压钢筋，7φ16mm抗拉钢筋，6φ12mm 间距150mm 布置水平横向钢筋，9φ16mm/m布置箍筋。钢筋混凝土柱采用8φ16mm纵向钢筋，柱脚设置1φ8mm 箍筋，结构尺寸与布置如图1 所示。荷载施加位置如图2 所示，沿梁全宽加载，加载过程中采用位移控制方案，以施加荷载增量，直到试件破坏。

图1 钢筋混凝土宽梁-柱试件几何尺寸

图2 钢筋混凝土宽梁-柱加载布置

2.2 有限元模型验证

根据上述试件尺寸，利用有限元分析计算软件ANSYS 建立实体有限元模型[13]，如图3 所示，图中注明了各混凝土区域及钢筋所采用的单元类型。

图3 试件有限元模型细节

本文主要对比了试件的极限荷载和破坏模式。如图4 所示，在靠近中间支架的两个位置都发生了破坏，此时混凝土达到了最大应力值；纵向钢筋在同一位置达到屈服应力值，此时的破坏荷载为830kN，Shuraim试验结果为893kN，有限元模型与试验结果的相对误差为7.1%。如图5所示，有限元模型中显示的裂缝位置与试验基本相符。综上，有限元计算结果与试验结果之间有很好的一致性。

图4 有限元应力计算结果（MPa）

图5 裂缝分布状况对比

3 数值分析

在有限元模型可靠性验证的基础上，采用同样的建模方式建立多种宽梁-柱节点有限元模型，开展参数分析。

采用八节点实体单元Solid65 模拟混凝土梁、柱。实体单元有八个节点，每个节点有三个自由度—节点x、y 和z 方向的平移。该单元可以产生塑性变形，在三个垂直方向上开裂，并被压碎。使用Link180单元模拟钢筋，单元具有两个节点，节点存在三个自由度，即节点x、y和z方向的平移。实体单元选择的最大网格尺寸为150mm×150mm。在有限元软件ANSYS 中，荷载分步施加，选择荷载增量的大小以达到收敛，同时达到足够的精度[13]。有限元模型如图6所示。

图6 有限元模型示意

拟定模型的尺寸，梁结构的宽、高、跨度分别为1500mm、300mm、6000mm，柱结构的宽、长、高度分别为500mm、500mm、1500mm，受拉钢筋、受压钢筋、柱纵筋和箍筋的标准抗拉强度为360MPa，梁的箍筋标准抗拉强度为280MPa，梁体采用立方体抗压强度为30MPa 的混凝土，柱体采用立方体抗压强度为45MPa 的混凝土。本文所分析的有限元模型不同点在于抗拉钢筋配筋率、抗压钢筋配筋率以及每延米箍筋配筋率，具体参数变化见表1。

表1 B1～B8模型参数变化汇总表

图6 同时给出了有限元模型的边界条件和加载状况，图中支架在所有方向（z、x 和y）都受到约束。水平力施加在柱子的顶部。模型加载了静态地震荷载，因此有限元模型中的子步骤加载步长非常小，以避免无法收敛的问题。

4 结果分析

4.1 荷载-位移曲线

图7 给出了一系列荷载-位移曲线，对比了不同箍筋布置的试件荷载位移变化结果（B1 和B2，B3 和B4，B5和B6，B7和B8）。宽梁B1先于宽梁B2破坏，极限载荷分别为400kN、600kN；宽梁B3 先于宽梁B4 破坏，极限载荷分别为500kN、600kN；宽梁B5 先于宽梁B6 破坏，极限载荷分别为300kN、400kN；宽梁B7 先于宽梁B8 破坏，极限载荷分别为330kN、340kN。B1～B8 试件破坏前最大下挠分别为1.5mm、3mm、3.5mm、6.5mm、1.1mm、2.7mm、1.8mm、4mm。根据分析结果可知，箍筋数量较少的试件总是先于箍筋配置较多的试件发生破坏，因此箍筋的配置可以增大宽梁在水平荷载作用下破坏的极限荷载。

图7 有限元计算结果

4.2 耗能

能量耗散是荷载-位移曲线中从屈服荷载到极限荷载下的面积，宽梁由混凝土和不同的钢筋组成，其耗能可以定义为混凝土和钢筋的耗能之和。结构耗能能力在很大程度上取决于梁柱连接在经历反复的非弹性变形循环时所经历的刚度和强度退化。静态地震荷载下结构性能的一个最重要的方面是结构有效耗散能量的能力。图8给出了各模型耗能情况，在不同的钢筋配置下，耗能最高的模型是B4，最低的是B5，B4的耗能比B1、B2、B3、B5、B6、B7、B8分别高97%、75%、97%、99%、86%、99%、70%。从荷载-位移曲线可以发现，原因是位移增大，能量由静力地震荷载耗散。

图8 有限元计算结果

4.3 破坏模式

研究中每个模型的箍筋和钢筋的应变从ANSYS程序中获得，并将它们与屈服应变（0.0014）进行比较，以了解破坏的类型。表2说明了两种类型的破坏（延性破坏和剪切破坏）。

表2 B1～B8模型参数变化汇总表

4.4 超强系数

超强系数是屈服极限切线刚度与初始刚度之比。有限元计算结果表明，B4具有最高的超强系数，分别比B1、B2、B3、B5、B6、B7、B8 高84%、39%、41%、96%、45%、93%、38%。图9给出各模型对应的超强系数。

图9 各模型超强系数情况

4.5 刚度

刚度是结构抵抗外力变形的能力，是屈服力与屈服位移的比值。图10 给出了各模型对应的初始刚度。刚度最高的是B2 模型，最低的是B3 模型。B2 的刚度分别比B1、B3、B4、B5、B6、B7、B8高出27%、58%、25%、40%、43%、52%、52%。

5 结语

本文利用ANSYS 对不同配筋布置的钢筋混凝土宽梁-柱进行参数分析，对比各模型的耗能能力、破坏模式、超强系数以及刚度等指标，以探讨配筋率（主要对比箍筋配筋率）对结构抗震性能的影响，得到以下结论：

①荷载位移曲线结果表明，箍筋配筋率越大，宽梁在水平地震荷载作用下的极限承载力越高，适当的抗拉钢筋与抗压钢筋的布置可以增大结构的延性（B4 模型）。结构挠度对比分析表明，钢筋配筋率越大，刚度越大（B2 模型），纵向钢筋和箍筋的配筋率对结构刚度具有一致的影响显著性。

图10 各模型刚度对比

②模型B4 具有最大耗能能力以及超强系数，这是由其较高的延性决定的，其钢筋布置为：抗拉钢筋配筋率为1.0%横截面面积，抗压钢筋配筋率为0.6倍抗拉钢筋，箍筋配筋率为每延米0.130%。由同样纵筋布置的模型计算结果对比可知，箍筋配筋率减半后，耗能能力以及超强系数均急剧下降。

③各模型破坏模式表明，当纵向钢筋配筋率较大、箍筋配筋率较小时，结构发生剪切脆性破坏。随着箍筋配筋率的增大（此处为箍筋与纵向主筋的比值），结构逐渐表现为延性破坏。当纵向钢筋配筋率较小时，无论箍筋配筋率如何变化，结构始终发生剪切脆性破坏。