钢板网加固大尺寸RC短柱受力性能有限元分析

贾 磊，解咏平，杨晓宇

河北地质大学 勘查技术与工程学院，河北 石家庄 050031

随着高层建筑的增多，大尺寸钢筋混凝土短柱也被频繁的应用[1]。大量的震害表明，框架短柱的剪切破坏现象比较严重[2-4]，有研究指出，随着截面尺寸的增加，短柱的承载力和延性明显降低[5-7]。为了提高短柱的抗震性能，论文提出了钢板网加固钢筋混凝土的方法，并通过有限元软件ABAQUS对其进行了受力性能分析，以研究钢板网对大尺寸钢筋混凝土短柱的加固效果。

一、 试件设计

本次共设计了3个剪跨比为2的试件，截面尺寸为500 mm×500 mm；轴压比为0.6；混凝土强度等级取C60；纵筋采用HRB400级钢筋；箍筋采用HPB300级钢筋；钢板网的厚度取两种类型1 mm和2 mm。试件配筋为图1的形式，其它设计参数见表1所示，c为混凝土保护层厚度。

表1 试件的主要设计参数

二、有限元模型的建立

（一）单元分析

混凝土单元采用二阶缩减积分三维实体单元C3D8R，钢筋单元采用T3D2桁架单元（Truss Element）。

（二）材料的本构模型[8]

混凝土受拉及受压时的本构关系见图1。

图1 混凝土的本构关系

钢筋的应力—应变关系曲线采用二折线的弹性强化模型，钢筋屈服后应力—应变关系被简化为较平缓的斜直线，斜率取Es=0.01Es，截面边长为300 mm柱的钢筋本构模型见图2所示。钢板网杨氏模量20000 N/mm2，泊松比0.3。钢板网样式见图3，规格尺寸见表1。

图2 钢筋的本构关系

图3 钢板网的样式图

（三） 模型的建立与求解

试件采用全模型建模，边界条件及网格划分见图4。加载过程分为两步，第一步在柱顶施加恒定的轴向压力，第二步在水平方向施加水平荷载，并采用位控加载。

图4 有限元模型

三、模拟结果与分析

（一）破坏状态分析

试件的等效塑性应变云图如图5所示。从应变云图中可以看出，钢板网加固高强混凝土短柱的损伤程度与未被钢板网加固的高强混凝土短柱相比，被加固部位混凝土的损伤程度减弱。

图5 等效塑性应变云图与试件破坏状态

（二） 荷载-位移曲线分析

图6给出了钢板网加固混凝土短柱试件在单调加载下的荷载—位移曲线。由曲线可知，钢板网加固的混凝土短柱的屈服荷载和峰值荷载均大于未被钢板网加固的混凝土柱；试件的峰值荷载有较大的提高，极限变形也有相应的增长。

（三）钢筋受力分析

图7为钢筋应力云图。从钢筋应力云图可以看出，钢板网高强混凝土试件在单调荷载作用下，箍筋发生屈服，随着荷载的不断增加，钢板网最终被破坏。钢板网的加固在一定程度上减少了箍筋的屈服，对保证高强混凝土柱延性具有有利作用，使高强混凝土短柱结构性增强。

图7 纵筋、箍筋、钢板网应力云图

四、结论

通过建立有限元模型对3个截面尺寸为500 mm×500 mm的钢筋混凝土短柱进行了单调加载分析，结果表明：

1. 同大尺寸混凝土短柱的模型相比，钢板网加固混凝土短柱的承载能力高于同条件的混凝土短柱。其他参数不变的情况下，增加钢板网约束不仅能提高试件的最大承载力，也能增加试件的极限位移及延性。

2. 随着钢板网厚度的增大，抗剪承载力和位移延性系数不断增加。

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