不同配箍率钢筋混凝土柱受力性能分析

许太业

(山西省人力资源和社会保障厅，山西太原 030001)

1 模型介绍

利用大型通用有限元分析软件ANSYS，采用实体建模的方法，用带筋的Solid65单元模拟混凝土，建立钢筋混凝土柱的整体式模型。钢筋混凝土柱的截面尺寸为600 mm×600 mm，柱的高度取3 m。钢筋混凝土柱内所配钢筋均采用HRB400级钢筋，fy=360 N/m2，纵向钢筋配筋率为 2%，容重为 78 kN/m3，Es=2.0×105N/mm2，泊松比 0.3;混凝土强度等级采用 C40，fc=19.1 N/m3，容重24 kN/m3，张开裂缝传递系数取0.5，闭合裂缝传递系数为0.95，Ec=3.25 ×104N/mm2，泊松比 0.2。改变钢筋混凝土柱的配箍率，分别为 1.0%，1.6%，2%，2.4%，3%，记各模型为 M1.0，M1.6，M2.0，M2.4，M3.0。

混凝土的本构关系采用多线性等向强化模型定义，其单轴受压本构关系曲线的数学模型采用《混凝土结构设计规范》6.2.1的公式，上升段采用二次抛物线，下降段采用水平直线，即:

当 εc≤ε0时，σc=fc[1 －(1 － εc/ε0)2];

当 ε0≤εc≤εcu时，σc=fc。

其中分别取 ε0=0.002 和 εcu=0.003 3。

图1为混凝土材料的本构关系曲线。

图2为钢筋材料的本构关系曲线。

将模型柱底面所有点各个方向的自由度都限制为0，用来模拟柱底固定端的情况。加载方案为在柱顶面一次性施加竖向荷载，然后保持竖向荷载数值不变，分级逐渐施加水平荷载，一直加大直到构件破坏。计算过程中考虑结构自重，重力加速度取9.8 m/s2。模型及加载方案见图3。

2 不同配箍率柱裂缝情况分析

不同配箍率的钢筋混凝土柱在竖向和水平荷载共同作用下的裂缝发展情况基本一致，如图4所示。

通过比较不同配箍率钢筋混凝土柱在竖向和水平荷载共同作用下构件的裂缝发展情况，配箍率对于裂缝开展及发展情况影响很小。模型第一条裂缝均出现在柱底外侧，分析应该是在水平荷载作用下柱外侧受拉开裂，随着荷载的加大，裂缝向上延伸，最后裂缝沿高度方向布满整个柱子，钢筋混凝土柱发生破坏。

3 不同配箍率柱延性比较

在不同的受力阶段，各种结构及构件的性能会有不同的反应，如应力与应变会产生变化，混凝土会出现裂缝并有一定的发展，钢筋的屈服与强化也会发生改变等。如果把结构或构件在不同受力阶段的反应绘制成广义力—变形全曲线，那么以上各种反应都会在曲线上形成相应的几何特征点。它能综合反映出结构或材料的宏观力学性能。结构(构件)存在多种力—变形曲线。

构件与结构的延性可以用延性比来度量，定义为结构或者构件的极限位移除以屈服位移，因此要得到构件的延性比，首先必须确定构件的屈服变形和极限变形的数值。通常的做法是采用几何作图法确定结构的屈服荷载和屈服位移，具体做法如图5所示。屈服位移记为Dy，极限位移记为Du。

各模型的基底剪力—柱顶位移曲线如图6所示。

由此曲线可以看出，在弹性阶段，曲线基本上都是直线段，配箍率不同，直线段的斜率基本没有变化，说明在弹性阶段，箍筋对于构件的刚度影响不大。过了弹性阶段之后，构件开裂，刚度迅速降低，表现在曲线上，曲线斜率降低很多。随着配箍率的增大，曲线的最高点有所提高，但是变化不大，说明增大构件的配箍率可以提高构件的承载力，但是效果并不显著。随配箍率的增大，构件的极限位移增大很多，说明构件的延性提高很多。

各模型屈服位移及极限位移对比见表1。

由表1可以明显的看出，提高配箍率可以略微提高构件的屈服位移，可以显著提高构件的极限位移，从构件延性比的数值看出，提高构件的配箍率对提高构件的延性作用显著。

4 结语

表1 位移对比

本文利用大型通用有限元分析软件ANSYS对不同配箍率的钢筋混凝土柱进行了竖向和水平荷载共同作用下的静力分析，得到的结论主要有:1)配箍率对构件裂缝发展情况影响不大;2)箍筋对构件弹性阶段的刚度贡献不大;3)提高构件的配箍率可以提高构件的承载力，但是影响不是很大;4)提高构件的配箍率可以显著提高构件的延性。

[1] 胡 亮.框支短肢剪力墙结构转换梁受力性能分析[D].太原:太原理工大学，2010.

[2] GB 50010-2010，混凝土结构设计规程[S].