外贴CFRP内置格构式钢骨螺旋箍筋混凝土柱在地震荷载作用下有限元分析

2021-06-25路倩倩

河南城建学院学报 2021年2期

赵澄，路倩倩

(山东科技大学山东省土木工程防灾减灾重点实验室，山东青岛 266590)

随着高层、超高层建筑的发展，传统的钢筋混凝土结构已不能满足当今结构设计的需要，高层建筑要求采用强度高、抗震性好、自重轻的混凝土柱。本文提出一种外贴CFRP内置格构式钢骨螺旋箍筋的混凝土柱，设置闭合式组合型钢对内部混凝土起到约束作用，格构式钢骨内设置螺旋箍筋，对核心混凝土产生约束套箍作用，可提高其延性和承载能力。取CFRP布贴于混凝土外侧，约束最外层混凝土并且保护混凝土免于被侵蚀。赵均海等[1]进行了方钢管螺旋箍筋混凝土轴压短柱极限承载力分析，结果表明增加外钢管的强度、增加箍筋的强度、减小箍筋间距都能提高方钢管螺旋箍筋混凝土柱的极限承载力。Mohammad Reza Hamidian等[2]对螺旋箍筋作用于混凝土柱的力学性能进行了试验研究，混凝土芯受到螺旋钢筋的约束，提高了柱的承载能力。朱颖等[3]对核心型钢混凝土柱滞回性能进行了数值分析，探究了轴压比、纵筋配筋率、体积配箍率、含钢率和型钢截面形式对核心型钢混凝土柱滞回性能的影响，结果表明提高纵筋配筋率和体积配箍率可改善柱的滞回性能。曾广吉[4]研究配置强格构式型钢混凝土柱抗震性能，重点考察在不同轴压比、不同混凝土强度、缀板间距、型钢配钢率对柱抗震性能的影响，结果显示带缀板的格构式型钢对核心区混凝土有更强的约束作用。赵仕兴[5]对配置强格构式型钢混凝土柱的抗震性能进行试验研究，试验结论显示带缀板的强格构式型钢对核心区混凝土有更强的约束作用，所有试件破坏都表现为钢材屈服、混凝土压溃，且格构式试件失效时的位移延性均不低于实腹式试件。陈宗平等[6]对螺旋筋约束增强格构式型钢混凝土柱轴压性能与滞回性能进行了研究，在截面形式、轴压比等变量参数试验下，柱轴压性能与滞回性能良好。

本文设计10个试件，取箍筋形式、配箍率、纵筋强度、碳纤维层数、长细比为变量，研究外贴CFRP内置格构式钢骨螺旋箍筋的混凝土柱在往复荷载作用下的滞回曲线、骨架曲线及其延性性质等。

1 有限元模型

利用ABAQUS有限元软件进行模拟，同时施加轴向荷载及往复荷载，对10个试件进行分析研究。

1.1 单元网格

混凝土网格划分采用具有减少集成元素的8节点线性砖(C3D8R)，缀板和角钢均采用C3D8R进行网格划分[7]。箍筋与纵筋选用桁架单元进行属性定义。参考已有对CFRP模拟的研究，由于CFRP材料厚度远小于试件的尺寸，对CFRP材料采用壳单元进行网格划分。

1.2 相互作用

有限元模型中，需要通过各种接触方式来模拟各种构件的相互接触。采用面-面接触以及表面相互作用的接触属性来定义CFRP与混凝土之间的接触，相对滑移设置为小滑移。相互接触中，混凝土为主表面，CFRP为从属表面，相互接触属性定义为黏性接触。格构式钢骨内置于混凝土中，螺旋箍筋与纵筋组成钢筋骨架内置于混凝土中。定义接触过程中，其他设置参数默认即可[8]。

1.3 边界条件与荷载

柱底采用完全固定形式，柱顶面耦合于参考点RP1,RP1控制其柱顶面所有方向自由度，对RP1施加竖直轴向力。柱的左侧上部设置RP2[9]。对柱施加往复力，往复力的施加采用先荷载后位移的加载制度，以便于研究柱破坏的塑性过程。

1.4 混凝土本构

混凝土本构的确定对混凝土柱最终模型的建立非常重要。选取具有权威性的混凝土本构进行属性定义，根据混凝土塑性损伤模型采用《混凝土结构设计规范》(GB50010—2010)[10]附录C中所提供的单轴受拉和受压的本构模型。

1.5 损伤因子

计算采用Sidiroff提出的根据能量等价原理的计算方法：当使用ABAQUS塑性损伤本构模型进行分析时，需要对材料压缩拉伸及其非弹性的损伤因子和应变进行输入。本文参考Wei Demin[11]采用的Sidiroff能量等量原理计算的损伤因子。

1.6 钢材本构

方形截面混凝土柱在角部容易出现应力集中情况，所以在拐角区域共设置4根角钢，角钢强度为Q345级钢材，板厚为5 mm。与角钢相连接的缀板采用Q235级钢材，厚度5 mm，间距170 mm。格构式钢骨内设置的箍筋与纵筋分别选用HPB300与HRB335钢筋，为了使配箍率变量下的试件更加直观明显，在配箍率变量下选用HRB335钢筋，在纵筋强度变量下的试件分别选用HRB400、HRB500钢筋，钢材的弹性模量和泊松比分别取2.1GPa和0.3。本文参考张丽[12]钢骨-钢管组合柱的有限元模拟混凝土本构关系，钢材本构采用双斜线模型，其切线模量为弹性模量的1%。钢材参数见表1。

表1 钢材参数

1.7 CFRP属性

根据文献[13-14]，选用CFRP的应用型号：碳纤维布T300，外贴CFRP于内置格构式钢骨螺旋箍筋混凝土柱。试件最外层的CFRP用于约束最外层的混凝土，为单向纤维布，其属性参数见表2。

表2 CFRP属性参数

1.8 试件参数

试件的详细参数见表3，CSS-1内置普通箍筋。本文采用统一轴压比，按《混凝土结构设计规范》(GB50010—2010)[10]对轴压比进行取值。箍筋截面尺寸为d=8 mm，箍筋等级为HPB300,研究配箍率不同时的抗震性能。纵筋的截面直径18 mm，等级为HRB335、HRB400、HRB500，钢筋强度为研究变量之一。

表3 试件具体参数

2 研究结果与分析

2.1 滞回曲线

通过有限元分析模拟得到试件的滞回曲线如图1所示。在不同变量的作用下，对试件的抗震性能进行研究。

图1 荷载位移滞回曲线

(1)箍筋配箍率

CSS-1为内置普通箍筋混凝土柱，CSS-2为内置螺旋箍筋混凝土柱，与CSS-1相比，CSS-2滞回曲线更加饱满且均匀，极限承载力更高。CSS-2、CSS-3、CSS-4配筋率分别为1.005%、0.670%、0.502%。随着配箍率降低，极限承载力降低，延性降低，抗震性能减弱。

(2)纵筋强度

与CSS-5、CSS-6相比，CSS-2极限承载力提高不明显，由于柱内纵筋布置较少，布置高强钢筋不能起到明显效果，但可以看到CSS-5滞回曲线所占面积大于CSS-2与CSS-6的滞回曲线面积，且CSS-5与CSS-6的极限位移均大于CSS-2的极限位移。从经济角度考虑，不必选择高强钢筋作为纵向受压钢筋。

(3) CFRP层数

CSS-2未贴碳纤维布，CSS-7外贴1层CFRP，CSS-8外贴两层CFRP，三者的滞回曲线面积大致相同，外贴CFRP的CSS-7与CSS-8峰值承载力所对应的位移大于CSS-5峰值承载力所对应的位移。CSS-7、CSS-8荷载位移滞回曲线峰值应力均高于CSS-5的峰值荷载，分别高出约17.6%、18.8%，说明CFRP对最外层混凝土起到了良好约束作用。

(4) 长细比

长细比对承载力有明显影响，长细比越小，构件水平承载力和刚度越大，CSS-9刚度明显小于CSS-8与CSS-10。CSS-10的滞回曲线为较饱满的梭形，其抗震性能较好，极限承载能力高于其他试件，CSS-9滞回曲线面积变小，极限位移减小，材料破坏前发生失稳破坏。

2.2 骨架曲线

骨架曲线接近于轴压下的位移荷载曲线，如图2所示。通过骨架曲线可以看出：螺旋箍筋较普通箍筋对核心混凝土的约束提高明显，随着配箍率的降低极限承载能力降低，CSS-2、CSS-3、CSS-4的曲线基本一致；由于格构式钢骨的存在，设置高强纵向钢筋对于提高延性效果并不明显；外贴CFRP试件位移增大，变形能力提高，极限承载力提高；长柱的二阶效应对此类柱作用明显，长细比越小极限承载力越高、变形能力越好，因此应尽量避免柱的长细比过大。

图2 骨架曲线

2.3 延性及耗能分析

本文研究外贴CFRP内置格构式钢骨螺旋箍筋混凝土柱整个构件的变形能力，参照《建筑抗震试验方法规程》[15]有关内容，构件破坏时的变形与屈服时变形的比值称为构件的延性系数μ，其计算公式为：

(1)

Δf为试件的极限位移，通常取水平承载力降低到极限承载力的85%时对应的位移值，当骨架曲线下降段并不明显时，取极限荷载Pmax对应的位移为极限位移；Δy为试件的屈服位移，通过能量法确定，令S1=S2，即可得Δy，见图3。

图3 能量法图4 等效黏滞阻尼系数示意图

本文采用等效黏滞阻尼系数he来计算各组试件的耗能能力，计算公式为：

(2)

计算结果如图4所示。各试件的延性系数以及等效黏滞阻尼系数见表4。

表4 延性系数汇总

由表4可知：螺旋箍筋相比普通箍筋延性提高明显，延性系数提高约33.5%，等效黏滞阻尼系数增大；配箍率为0.670%、0.502%的混凝土柱相比配箍率为1.005%的混凝土柱延性分别降低25%、27%；螺旋箍筋骨架中的纵向受力钢筋采用高强钢筋HRB400、HRB500,分别对延性提升5%、3.7%，对延性系数的影响较小，但对阻尼系数有一定的提高；与CSS-5相比，外贴CFRP一层和两层后，其延性系数分别提高约20.7%、22.7%；长细比对于混凝土柱的延性系数影响明显， CSS-9相比CSS-8延性降低53%，CSS-10相比CSS-8延性提高约2.9%，柱子高度对等效黏滞阻尼系数的影响比较明显。

3 模拟验证

本文提出的外贴CFRP内置格构式钢骨螺旋箍筋的混凝土柱耗钢量大，对其进行模拟研究，再选取相对有价值的变量进行试验，对比已有的相似试验进行验证。选取试件分别与具有相似之处的试验进行对比，将文献[6]中试件SS-3的破坏特征和滞回曲线与本文试件CSS-5进行对比验证，如图5所示。由图5可知：滞回曲线走势大致相似，滞回曲线均较饱满，抗震性能较好；极限位移大，试件变形能力好，破坏区域均在柱底部，上部裂缝延伸位置相同，破坏形式大致相同，属于延性破坏。验证结果表明模拟结果与试验结果基本一致。