高强箍筋混凝土柱的耗能性能*

万海涛， 侯文彬， 禹钿龙

(河南大学 土木建筑学院， 河南 开封 475004)

随着现代社会进步和经济发展，建筑结构正朝着超高层、超大层的方向发展，钢筋混凝土框架结构目前在高层建筑中应用较广，柱构件是钢筋混凝土框架结构的主要受力构件，柱构件的性能对结构整体的抗震性能有着重要影响.在国家当前可持续发展和推广绿色建筑的背景下，在结构中推广使用高强度、高性能钢筋有利于降低资源消耗，保护生态环境.目前，国家正在大力推广高强钢筋，但CRB550级钢筋在抗震结构构件中还很少使用，因此，有必要对CRB550级高强箍筋混凝土柱构件的抗震性能进行研究，为高强钢筋的应用推广工作提供参考.

Wang等[1]配制了5个配置HRB600级增强钢筋的活性粉末混凝土节点试件，结果表明，HRB600级钢筋的配置减轻了破坏，降低了强度退化和刚度退化，减少了残余变形，提高了变形能力和耗能能力；孙双喜[2]试验了8根纵筋和箍筋均为1420级PC钢棒的高强混凝土短柱，结果表明，配置高强钢棒后构件的承载力和变形能力均有所提高；刘伦等[3]通过对8根配置CRB600H级高强箍筋柱和1根配置HRB400级普通箍筋柱进行低周往复加载试验，分析了高强箍筋混凝土柱的抗震抗剪性能，结果表明，CRB600H级高强箍筋柱与HRB400级普通箍筋柱相比，抗剪承载力差异不大，但前者具有更好的延性和极限变形能力；刘佳妮等[4]分析了含箍特征值和箍筋形式对CRB600H级高强箍筋框架梁抗震抗剪性能的影响，结果表明，含箍特征值较高的构件，其承载力和变形能力较高，耗能能力较低，箍筋形式对抗剪承载力和变形能力影响不大，箍筋肢数多的构件耗能能力较高.

对5根轴压比为0.9的配置不同箍筋的混凝土柱构件进行低周往复加载试验，并使用有限元软件ABAQUS对柱构件进行数值模拟，将5根钢筋混凝土柱构件的模拟结果与试验的破坏形态、骨架曲线进行对比，验证了有限元模拟结果的可靠性.通过调整纵筋及箍筋直径、配箍间距、柱截面尺寸等参数设计并模拟了8根柱构件，从延性性能和耗能性能两个方面分析评价了RC柱构件的抗震性能，为CRB550级高强钢筋在中国的推广及应用提供一定的参考.

1 试验及有限元模拟概况

1.1 试件设计

为了研究柱构件受力的最不利情况，柱构件的轴压比全部选用《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)[5]中规定的0.90.柱构件截面尺寸分别为350 mm×350 mm与300 mm×300 mm两种，纵筋选用直径为16、22 mm的HRB400级钢筋，箍筋选用直径为10、12 mm的HRB400级钢筋与直径为7.5、9.5 mm的CRB550级钢筋，采用对称配筋，柱构件的详细参数如表1所示.混凝土强度等级为C30，混凝土保护层厚度为40 mm，按照《混凝土结构试验方法标准》(GB/T 50152-2012)[6]对混凝土进行取样并测试其强度，测得混凝土强度值如表2所示.按照《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》(GB/T 228.1-2010)[7]对钢筋进行拉伸试验，测得钢筋强度参数如表3所示.柱构件通过基础梁固定，基础梁尺寸为1 200 mm×600 mm×500 mm.

表1 柱构件参数Tab.1 Parameters of column components

表2 混凝土强度参数Tab.2 Parameters of concrete strength (N·mm-2)

1.2 有限元模型建立

使用有限元软件ABAQUS对上述5根柱构件进行模拟，通过试验结果与有限元软件ABAQUS模拟结果之间的对比，来验证有限元模拟的准确度及可靠性，再通过调整纵筋及箍筋直径、配箍间距、柱截面尺寸等参数设计模拟了8根柱构件.所有模拟的柱构件参数如表4所示.

表3 钢筋强度参数

表4 柱构件模型参数Tab.4 Parameters of column component model

钢筋混凝土柱构件建模时使用分离式模型，混凝土为三维实体单元C3D8R，钢筋为三维桁架单元T3D2，如图1所示.混凝土本构采用混凝土损伤塑性模型，泊松比为0.2.由于本试验研究不同等级箍筋的性能差异，故CRB550级高强钢筋采用双斜线本构模型，HRB400级钢筋采用理想弹塑性模型，泊松比均为0.3.结合计算精度与运算时间要求，钢筋混凝土柱构件的网格尺寸设置为50 mm.

图1 各部件单元图Fig.1 Unit diagram of each component

2 试验结果与模拟结果对比

2.1 破坏形态对比

图2为柱构件B-1-2M的受压应变云图与柱构件B-1-2的试验破坏形态图.将有限元模拟的应变云图与柱构件低周往复加载试验的破坏形态图进行对比，可以发现模型底部两侧出现红色区域，表明发生破坏.同时观察发现红色区域的网格出现一定程度的拉长，说明此处产生了很大的破坏应变，如图2a所示，与柱构件的破坏形态图2b吻合.图2b中，柱构件发生了弯曲破坏，在加载初期出现了水平裂缝且随着荷载增大逐渐变宽，加载后期产生了少量的斜裂缝，最终构件底部和两侧混凝土被压碎，钢筋裸露.

图2 B-1-2M受压应变云图与B-1-2破坏形态Fig.2 Compressive strain nephogram of B-1-2M and failure mode of B-1-2

2.2 骨架曲线对比

图3 B-1-2与B-1-2M骨架曲线对比Fig.3 Skeleton curve comparison of B-1-2 and B-1-2M

3 柱的耗能性能分析

3.1 延性性能分析

(1)

式中：Δu为试件的极限位移；Δy为试件的屈服位移.μ越大则构件能够产生的塑性变形就越大，地震对结构的影响就越小.为了保证高层建筑具有足够的抗震性能，一般要求结构的延性系数μ>3.

表5 柱构件特征数据及延性系数Tab.5 Characteristic data and ductility coefficient of column components

由表5可以看出：1)所有柱构件的延性系数均大于3，符合抗震规范要求，表明高强箍筋混凝土柱构件和普通箍筋混凝土柱构件都具有良好的延性性能.2)按照等强度原则，构件A-1-1M布置了直径为10 mm的HRB400级箍筋，构件A-1-2M布置了直径为7.5 mm的CRB550级高强箍筋，后者的箍筋配筋率比前者降低了0.72%，但荷载值和位移值相近，高强箍筋混凝土柱构件的延性系数比普通箍筋混凝土柱构件的提高了0.9；构件B-1-1M与构件B-1-2M的荷载值和位移值相近，后者延性系数稍大，表明使用较小直径的CRB550级高强箍筋替代较大直径的HRB400级普通箍筋后，钢筋混凝土柱构件的延性性能会有一定程度的提高.3)对于箍筋种类和直径相同的柱构件，如构件A-1-1M和构件A-2-1M，前者的延性系数为4.0，后者为3.7，说明提高柱构件的纵筋配筋率后延性性能会降低，原因是构件的纵筋配筋率提高后刚度增强，延缓了构件屈服，而极限状态基本没有发生变化，最终导致延性系数降低，其余构件如A-2-2M的延性系数比A-1-2M降低了26.5%，构件A-2-3M的延性系数比A-1-3M降低了15.6%，构件B-2-1M的延性系数比B-1-2M降低了12.5%，构件B-2-2M的延性系数比B-1-3M降低了15.9%.4)B组纵向钢筋直径为16 mm的HRB400级钢筋柱构件中，配置同一种箍筋的钢筋混凝土柱构件延性系数会随着箍筋间距的减小和强度的增强而提高，但效果不明显.

3.2 耗能能力分析

结构的耗能能力是评价其抗震性能的重要指标，钢筋混凝土结构作为弹塑性结构，在地震作用时能够吸收地震传递的能量.结构在反复荷载作用下，加载时吸收的能量与卸载时释放能量的差值就是构件在一个循环加载过程中能量耗散能力，在滞回曲线中表现为滞回环包围的面积，如图4所示.吸收或者耗散的能量越大，结构的抗震性能越好.

图4 滞回环面积示意图Fig.4 Schematic diagram of hysteretic loop area

评价结构的能量耗散能力主要有能量耗能系数E和等效黏滞阻尼系数ξeq两种指标，计算公式为

(2)

(3)

使用数据处理软件Origin对滞回曲线上各滞回环进行数值积分运算，得到构件滞回环包围的面积，总滞回耗能是各滞回环包围面积的总和，如表6所示.由于各构件的屈服、峰值、极限三个状态点的荷载值与位移值各不相同，加载级数不同，为了能够采用同一标准对各柱构件的滞回耗能性能进行对比分析，将总滞回耗能除以构件的屈服荷载和屈服位移之积，进行归一化无量纲处理.

表6 柱构件的滞回耗能Tab.6 Hysteretic energy dissipation of column components

注：Py为试件的屈服荷载.

从表6中可以看出：1)随着加载级数的增加，每级滞回耗能增长率在临近破坏时有下降趋势.截面尺寸较大的A组构件滞回耗能明显高于截面尺寸小的B组构件.2)对比三组柱构件A-1-1M和A-1-2M、A-2-1M和A-2-2M、B-1-1M和B-1-2M发现，按照等强度原则分别配置了CRB550级箍筋和HRB400级箍筋的混凝土柱构件归一化总滞回耗能值相近，都具有良好的能量耗散能力.

在低周往复加载试验过程中，钢筋混凝土柱构件会出现强度和刚度上的退化，这种现象会对柱构件滞回环面积的大小产生影响.为了表达构件的这个特征，在现代工程抗震中采用等效黏滞阻尼系数ξeq来评价构件在地震作用中耗能性能的好坏.构件的等效黏滞阻尼系数ξeq越大，其耗能性能就越好.所有模拟柱构件各级加载循环的等效黏滞阻尼系数变化情况如图5所示.

图5 柱构件的等效黏滞阻尼系数Fig.5 Equivalent viscous damping coefficient of column components

对比A、B两组不同截面的柱构件，等效黏滞阻尼系数随着截面尺寸的降低而减小；在纵向配筋率相同的B组构件中，采用同一种类箍筋混凝土柱构件的等效黏滞阻尼系数随着箍筋间距的减小而增大.

较大箍筋直径的HRB400级箍筋柱构件A-2-1M和较小箍筋直径的CRB550级箍筋柱构件A-2-2M的等效黏滞阻尼系数曲线贴近，说明两者的耗能能力基本相同；较大箍筋直径的HRB400级箍筋柱构件A-1-1M和较小箍筋直径的CRB550级箍筋柱构件A-1-2M的等效黏滞阻尼系数曲线出现了上下交错的情况，说明两者的耗能能力不相上下.总体上说，按照等强度原则配置了CRB550级高强箍筋的柱构件和配置了HRB400级箍筋的柱构件的等效黏滞阻尼系数相近，耗能能力相当.

4 结 论

本文通过分析得出以下结论：

1) 通过有限元模拟得到的应变云图与构件的试验破坏形态图基本相似，且二者的骨架曲线拟合较好，说明有限元模拟可以较为准确地对试验进行模拟.

2) 配置较小直径的CRB550级高强箍筋混凝土柱构件的骨架曲线与较大直径的HRB400级箍筋混凝土柱构件的骨架曲线吻合较好，承载力相差在15%以内，说明CRB550级高强钢筋可以替代HRB400级普通钢筋作为钢筋混凝土柱构件的箍筋.

3) 在延性性能方面，所有柱构件的延性系数均大于3.0，具有良好的变形能力；在CRB550级高强箍筋等强度替代HRB400级箍筋后，钢筋混凝土柱构件的延性性能会适当提高.

4) 在能量耗散方面，配置了较小直径的CRB550级高强箍筋混凝土柱构件与对应的HRB400级普通箍筋混凝土柱构件的归一化总滞回耗能值、等效黏滞阻尼系数接近，都具有很好的耗能能力.