许鹏红，刘阳――考虑轴向应变不均匀性的RC柱轴压性能研究.doc

考虑轴向应变不均匀性的 RC 柱轴压性能研究 许鹏红 1,3，刘 亚 4，刘 阳 1,2，黄群贤 1,2 （1.华侨大学土木工程学院，福建厦门，361021；2.福建省结构工程与防灾重点实验室，福建厦门，361021 3.中国建筑上海设计研究院有限公司厦门分公司，福建厦门，361021； 4.中国联合工程公司厦门分公司，福建厦门，361021） 摘 要：为评价变形不均匀性对 RC 柱轴向变形性能的影响，采用 MATLAB 编制计算程序对 RC 柱在单调 轴压工况下的荷载变形关系进行计算分析。通过与已有试验结果和有限元方法的对比，验证程序的合理性， 并在此基础上进行参数分析。研究成果可为 RC 结构的设计提供参考。 关键词：钢筋混凝土柱；轴向应变不均匀；轴压性能；约束混凝土；体积配箍率； 中图分类号： 0 文献标码：A 引言 目前，国内外关于钢筋混凝土(Reinforced Concrete，简称 RC)柱的轴压性能已经做了一系列的试 验研究。1984 年，Mander 等[1]，对 RC 柱的轴压性能进行了大量的试验研究，试验参数包括圆形截 面、方形截面和矩形截面的 RC 柱，得到了相应的应力-应变关系曲线。在此基础上，Mander 等[2]又 提出了不同截面和配箍形式的 RC 柱相应的约束混凝土本构模型。1993 年，Cusson 和 Paultre[3]进行 了 50 个足尺高强混凝土的 RC 柱的轴压试验研究，研究了不同混凝土强度、纵筋配筋率以及箍筋间 距对其性能的影响。我国学者杨勇新等[4]对 7 个配置 HRBF500 级钢筋混凝土柱进行了轴压试验，研 究不同混凝土强度、配筋率和长细比对试件破坏形态、承载力的影响。刘阳等[5,6]完成了 2 个 RC 柱 和 4 个 CSRC 柱的轴压性能试验，研究不同配钢率和配箍特征值对试件轴压承载力和变形能力的影 响。史庆轩等[7] 进行了 31 根高强螺旋箍筋约束高强混凝土方形截面柱的轴心受压试验，研究不同 箍筋强度、箍筋间距、箍筋形式及截面尺寸对轴压性能的影响。 s2 s1 关于 RC 柱轴压变形的计算，传统方法均假设其轴向压应变是均匀分布的(如图 1(b)虚线所示)， ε1 ε2 传统方法简化 应变分布情况 混凝土有效 约束区域 i-i 截面 i i+1 εi εi+1 εi εi+2 si i i+1 si+1 si 最不利截面 sn sn-1 εn-1 (a) 配筋图 Fig.1 εn εn+1 si+1 εi+1 εi+2 本文方法简化 应变分布情况 (i+1)-(i+1)截面 (c) 箍筋有效约束区域 (b) 实际轴向应变分布及简化 图 1 轴压 RC 柱轴向应变及截面受力示意图 Axial strain and cross section of RC columns under axial conpression 收稿日期： 修订日期： 基金项目：国家自然科学基金项目(51208219)，福建省科技重大项目(2013Y4006)，福建省科技重点项目(2012Y0051)，泉州市科技计划项目 (2012Z93) 作者介绍：许鹏红(1989-)，硕士，工程师，主要从事建筑结构设计方向工作。 通讯作者：刘阳(1982-)，博士，副教授，主要从事工程结构抗震减灾方向研究. E-mail: lyliuyang@hqu.edu.cn 13067050959 并取试件最不利截面进行分析得到试件的轴向变形。而实际上，由于箍筋约束的影响(如图 1(c))，不 同截面处的轴向应变分布是不同的(如图 1(b)所示)，传统方法计算会高估试件的轴向变形。为评估传 统方法对 RC 柱轴向变形计算的误差，为 RC 结构的性能抗震设计提供参考，作者考虑了 RC 柱轴向 应变的不均匀性，编制 MATLAB 程序，在试验和有限元验证的基础上，进行了参数分析。 1 编程编制 将钢筋混凝土柱构件沿轴向划分为 N 段，共(N+1)个截面，分别为箍筋所在截面、箍筋中部截面 以及上下底面，截面编号如图 1 所示。由图 1 可见，在相同轴力下，箍筋所在截面 i-i 由于箍筋约束 的影响较强，轴向应变较小，两道箍筋之间 开始 的截面(i+1)-(i+1)受到的箍筋约束效应较弱， 轴向应变较大。各截面的轴向应变连续变 输入构件模型信息 化，试件轴向变形即为应变沿轴向的积分。 为编程需要和计算方便，做如下假设： i=i+1 (1) 试件受均匀轴向压力，且各材料间 变形协调，无相对滑移； 赋予各截面初始 应变 εi=ε，εi+1=ε (2) 不考虑试件端部约束的影响； εi+1=εi+1+ε (3) 相邻截面轴向应变线性变化，如图 求 i-i 截面及(i+1)-(i+1)截面内力 Ni= Ncoi +Ncci +Nsi Ni+1= Ncoi+1 +Ncci+1 +Nsi+1 1(b)所示； (4) 纵筋和箍筋采用理想弹塑性本构； εi+1=εi+1-ε 是 (5) 混凝土划分为约束区和无约束区， 如图 1(c)所示。无约束混凝土采用 Sanez 模 否 |Ni - Ni+1|/ Ni<5% 型[8]，约束混凝土采用 Mander 模型[2]。 编程计算流程图如图 2 所示。 Ni - Ni+1 < 0 是 无约束区混凝土承担的轴力 Nco、约束区 计算第 i 段轴向变形 混凝土承担的轴力 Ncc 和纵筋承担的轴力 Ns i=si×(εi+εi+1)/2 分别按下式计算： Nco=σco·Ac (1) Ncc=σcc·Ae (2) 赋值 N=Ni Ns=σs·As (3) 其中，σco 为无约束混凝土的应力，按公 i≥N 是 式(4)计算；σcc 为约束混凝土相对于不考虑箍 输出 N；Σi；εi 筋约束时的应力提高幅度，按公式(5)计算； σs=Es(