焊接箍筋混凝土柱的轴压性能对比分析

2014-06-26李智能宋春芳魏奇科杨小兵

土木工程与管理学报 2014年1期

李智能，宋春芳，魏奇科，杨小兵，任盛

(1.中冶建工集团有限公司, 重庆 400080;2.湖北佳镜建筑设计有限公司, 湖北黄石 435000; 3.湖南省建筑科学研究院, 湖南长沙 410000)

传统钢筋笼的绑扎耗工费时,质量控制不易。许多震害表明, 在钢筋弯钩处会有混凝土剥落及弯钩拉开的情况，不能有效发挥箍筋的横向约束作用。我国《混凝土结构设计规范》第11.1.8条提出混凝土结构箍筋宜采用焊接封闭箍筋，主要是倡导和适应工厂化加工配送钢筋的需求[1]。目前焊接封闭箍筋已经在国内部分工程得到应用，并取得了较好的经济效果[2～4]，但是目前焊接封闭箍筋基本采用的是外围焊接的双肢箍型式，还未见多肢焊接的封闭箍筋应用。且对应用焊接封闭箍筋的钢筋混凝土的力学性能研究相对较少，已有的研究内容主要针对焊接箍筋对构件的强度和延性的影响，并没有进行在相同配箍率下与采用传统复合箍筋混凝土构件的力学性能的对比[5,6]。基于此本文采用试验和数值模拟的方法对一种焊接封闭箍筋和传统复合箍筋混凝土柱的轴压性能进行对比分析。

1 焊接封闭箍筋的介绍

目前焊接封闭箍筋的型式主要有以下几种：

贵州省和陕西省编为地方规范并推广应用的采用闪光对焊的外围焊接箍筋，这种焊接箍筋有一定的创新型，节省了外围端头段锚固钢筋。但是这种箍筋型式只应用于双肢箍[7,8]。见图2 (图中圆点表示焊接位置)。

尹衍樑提出将钢筋以网格状排列，并在交点以焊接方式连结的格网箍筋。这种箍筋型式角部为直角，应力过于集中，且对于焊接点处的焊接强度和焊接工艺并未作具体说明[9]，箍筋形状见图3。

基于以上论述，中冶建工集团有限公司提出一种焊接封闭箍筋，其型式见图4，其中仅箍筋外围钢筋相连节点处采用电阻压接焊等强焊接，减少了箍筋的弯钩锚固段和复合箍筋重复段，与传统箍筋相比至少节约钢筋20%以上，且适宜工厂化标准生产，有利于钢筋加工集约化生产的推进，可显著提高施工质量[10]。本文基于此种类型的焊接封闭箍筋与传统的复合箍筋混凝土柱进行轴压性能的对比分析。

图1 传统符合箍筋

图2 双肢焊接箍筋

图3 焊接网状箍筋

2 混凝土柱模型的相关参数

2.1 混凝土柱尺寸

混凝土柱截面尺寸见图4，柱高960 mm，保护层厚度为20 mm。混凝土设计强度等级为C50，纵筋为直径14 mm的HRB400级钢筋，沿柱每侧均匀分布4根，共12根，箍筋为直径6 mm的HRB400级钢筋，以间距68 mm沿柱纵向布置。纵筋配筋率为1.8%，箍筋体积配箍率为1.24%，传统复合箍筋混凝土柱考虑箍筋重复段时的体积配箍率为1.44%。

图4 焊接封闭箍筋/mm

2.2 数值建模及边界条件

采用ABAQUS有限元软件进行数值模拟，根据截面几何尺寸和配筋特性建立混凝土和钢筋的分离式模型。采用T3D2单元模拟钢筋，采用C3D8R单元模拟混凝土，完成后的混凝土和钢筋笼模型见图5和图6。模型分析过程中不考虑混凝土与钢筋之间的滑移，将钢筋嵌入混凝土模型中。模型底部采用固结，顶部约束柱截面长、宽两个方向的位移，释放柱顶部纵向位移，纵向荷载采用位移方式施加。

2.3 混凝土和钢筋材料属性

混凝土本构采用GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》附录C.2提供的损伤模型，混凝土的本构模型见图7，箍筋和纵筋均采用理想弹塑性等向强化二折线模型，弹性模量取E=2.01×1011Pa，其中强化段E′=0.015E，HRB400钢筋的屈服强度取400 MPa，极限强度取540 MPa[1，11]。

2.4 数值模拟验证

采用文献[12]中某一钢筋混凝土柱轴压试验的结果进行验证，钢筋混凝土构件的几何尺寸为200 mm×200 mm×900 mm。纵筋采用HRB335级钢筋，箍筋采用HPB235级钢筋；纵筋配筋率为2.53%，箍筋的体积配箍率为0.65%；混凝土强度等级为C25，混凝土保护层厚度为10 mm，混凝土本构选用采用GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》附录C.2提供的损伤模型，采用理想弹塑性等向强化二折线模型，弹性模量取E=2.01×1011Pa，其中强化段E′=0.015E。数值模拟与试验的结果见图8，图中纵、横坐标轴分别表示试件全截面平均应力和试件纵向平均应变，试验结果的峰值强度为41.45 MPa，数值模拟的峰值强度40.69 MPa，峰值应变皆在0.3%左右，且两者曲线的总体趋势走向是一致的，故验证了本文理论分析方法的正确性和力学模型的合理性。

图5 焊接与传统箍筋钢筋笼

图6 混凝土模型

图7 混凝土应力-应变曲线

图8 数值模拟与文献的试验结果对比

3 结果分析

3.1 混凝土柱荷载-纵向平均应变全过程描述

图9 不同箍筋型式柱数值模拟荷载-应变曲线

图10 不同箍筋型式柱试验荷载-应变曲线

由于在试验过程中，不能保证每个构件的混凝土强度完全相同，为了更有效的对比分析构件的轴压性能，就需要排除混凝土强度的影响，因此将构件的承载力项进行无量纲化处理，即把纵坐标的承载力均除以按规范算的计算值，规范计算值中钢筋与混凝土取实测强度；在数值模拟的规范计算值中钢筋与混凝土取规范强度，且纵坐标也作相应无量纲化处理。

数值模拟分析所采用的混凝土本构是按照《混凝土结构设计规范》计算的理想混凝土本构模型，这与试验实际情况有所不同，且本构模型未考虑混凝土开裂以及钢筋与混凝土之间的粘结滑移，混凝土柱的承载力达到峰值时数值模拟和试验稍有误差，但是在量级上基本上保持一致，且两者曲线的总体趋势一致，即说明数值分析结果与试验结果基本吻合。

通过图9和图10的曲线对比发现，传统复合箍筋和焊接封闭箍筋两种混凝土柱的极限承载力均高于《混凝土结构设计规范》的计算值，且传统复合箍筋混凝土柱的极限承载力高于焊接封闭箍筋混凝土柱，具体数值见表1，这主要是由于传统复合箍筋由于存在复合箍筋的重复段，体积配箍率稍大一些，能够进一步增强箍筋的横向约束作用，所以极限承载力方面比焊接箍筋混凝土柱稍高。但两种箍筋式混凝土柱的承载力/规范计算值-纵向平均应变曲线在下降段的曲线斜率是近似一致的。

表1 两种箍筋式混凝土柱极限承载力对比

3.2 两种箍筋式混凝土柱截面混凝土压应力分布

图11～14分别给出的是混凝土柱承载力峰值时刻和纵筋轴应力达到极限强度时两种箍筋式混凝土柱1/2高度横截面混凝土压应力分布(图中数值表示压应力)。总体来说两种箍筋式混凝土柱横截面的压应力分布的数值梯度和范围是近似一致的。但焊接封闭箍筋混凝土柱截面的混凝土压应力由大到小近似呈环向由内向外分布，梯度明显、层次分明，核心区域形状规则；与焊接箍筋混凝土柱相比传统复合箍筋混凝土柱截面混凝土压应力分布杂乱，核心区域不规则，尤其在箍筋弯钩处的混凝土有较大的应力分布(横截面箍筋弯钩的分布见图1)，容易促使这一区域混凝土的剥落，造成弯钩的脱钩。且目前我国无任何规范和标准对复合箍筋弯钩在施工时的位置作出说明，尤其对截面较小的柱构件，若弯钩施工时均集中于一角，则这一区域的混凝土非常容易在外力作用下发生脱落，先于构件整体破坏前发生局部破坏。

由此可以得出，箍筋在发挥横向约束作用阶段与混凝土共同工作，传统复合箍筋在弯钩锚固段是断开的，横向约束力不能有效传递，不能充分发挥箍筋网片的整体约束作用，致使在弯钩区域的混凝土得不到箍筋的有效约束，造成这一区域的压应力分布较大。

图11 承载力峰值时焊接箍筋柱混凝土压应力分布

图12 承载力峰值时传统箍筋柱混凝土压应力分布

图13 纵筋极限强度时焊接箍筋柱混凝土压应力分布

图14 纵筋极限强度时传统箍筋柱混凝土压应力分布

3.3 两种箍筋式混凝土柱截面箍筋的应力分布

图15～18分别给出的是承载力峰值时刻和纵筋轴应力达到极限强度时距两种箍筋式混凝土柱1/2高度横截面最近一层箍筋轴应力的变化。总体来说，在不考虑传统复合箍筋的重复段和弯钩锚固段时，两种箍筋式网片的轴应力分布的数值梯度和范围是近似一致的。

焊接封闭箍筋各处轴应力分布较均匀，柱承载力峰值点处轴应力在230.1～270.7 MPa之间，纵筋轴应力达到极限强度时轴应力在481.8～525.7 MPa之间，最大值与最小值之差在43.9 MPa，箍筋外围四周的中部和箍筋内部核心区域轴应力相应较大，相应的横向约束作用明显。

传统复合箍筋由于存在箍筋重复段和弯钩锚固段，在峰值点处轴应力在106.6～249.9 MPa之间，纵筋轴应力达到极限强度时在-175.2～530.3 MPa之间，分布差异明显。主要是由于箍筋在弯钩锚固段断开，造成约束力不能有效传递，需要在混凝土中锚固致使钢筋的轴应力较小。且由于复合箍筋存在重复段，在重复段区域传统箍筋的轴应力与焊接箍筋相同位置相比相对较小，其两侧附近处的箍筋轴应力相对较大。