李智能， 宋春芳， 魏奇科， 楊小兵， 任 盛

(1.中冶建工集團有限公司, 重慶 400080;2.湖北佳鏡建筑設(shè)計有限公司, 湖北 黃石 435000; 3.湖南省建筑科學研究院, 湖南 長沙 410000)

傳統(tǒng)鋼筋籠的綁扎耗工費時,質(zhì)量控制不易。許多震害表明, 在鋼筋彎鉤處會有混凝土剝落及彎鉤拉開的情況，不能有效發(fā)揮箍筋的橫向約束作用。我國《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》第11.1.8條提出混凝土結(jié)構(gòu)箍筋宜采用焊接封閉箍筋，主要是倡導和適應工廠化加工配送鋼筋的需求[1]。目前焊接封閉箍筋已經(jīng)在國內(nèi)部分工程得到應用，并取得了較好的經(jīng)濟效果[2～4]，但是目前焊接封閉箍筋基本采用的是外圍焊接的雙肢箍型式，還未見多肢焊接的封閉箍筋應用。且對應用焊接封閉箍筋的鋼筋混凝土的力學性能研究相對較少，已有的研究內(nèi)容主要針對焊接箍筋對構(gòu)件的強度和延性的影響，并沒有進行在相同配箍率下與采用傳統(tǒng)復合箍筋混凝土構(gòu)件的力學性能的對比[5,6]?；诖吮疚牟捎迷囼灪蛿?shù)值模擬的方法對一種焊接封閉箍筋和傳統(tǒng)復合箍筋混凝土柱的軸壓性能進行對比分析。

1 焊接封閉箍筋的介紹

目前焊接封閉箍筋的型式主要有以下幾種：

貴州省和陜西省編為地方規(guī)范并推廣應用的采用閃光對焊的外圍焊接箍筋，這種焊接箍筋有一定的創(chuàng)新型，節(jié)省了外圍端頭段錨固鋼筋。但是這種箍筋型式只應用于雙肢箍[7,8]。見圖2 (圖中圓點表示焊接位置)。

尹衍樑提出將鋼筋以網(wǎng)格狀排列，并在交點以焊接方式連結(jié)的格網(wǎng)箍筋。這種箍筋型式角部為直角，應力過于集中，且對于焊接點處的焊接強度和焊接工藝并未作具體說明[9]，箍筋形狀見圖3。

基于以上論述，中冶建工集團有限公司提出一種焊接封閉箍筋，其型式見圖4，其中僅箍筋外圍鋼筋相連節(jié)點處采用電阻壓接焊等強焊接，減少了箍筋的彎鉤錨固段和復合箍筋重復段，與傳統(tǒng)箍筋相比至少節(jié)約鋼筋20%以上，且適宜工廠化標準生產(chǎn)，有利于鋼筋加工集約化生產(chǎn)的推進，可顯著提高施工質(zhì)量[10]。本文基于此種類型的焊接封閉箍筋與傳統(tǒng)的復合箍筋混凝土柱進行軸壓性能的對比分析。

圖1 傳統(tǒng)符合箍筋

圖2 雙肢焊接箍筋

圖3 焊接網(wǎng)狀箍筋

2 混凝土柱模型的相關(guān)參數(shù)

2.1 混凝土柱尺寸

混凝土柱截面尺寸見圖4，柱高960 mm，保護層厚度為20 mm。混凝土設(shè)計強度等級為C50，縱筋為直徑14 mm的HRB400級鋼筋，沿柱每側(cè)均勻分布4根，共12根，箍筋為直徑6 mm的HRB400級鋼筋，以間距68 mm沿柱縱向布置?？v筋配筋率為1.8%，箍筋體積配箍率為1.24%，傳統(tǒng)復合箍筋混凝土柱考慮箍筋重復段時的體積配箍率為1.44%。

圖4 焊接封閉箍筋/mm

2.2 數(shù)值建模及邊界條件

采用ABAQUS有限元軟件進行數(shù)值模擬，根據(jù)截面幾何尺寸和配筋特性建立混凝土和鋼筋的分離式模型。采用T3D2單元模擬鋼筋，采用C3D8R單元模擬混凝土，完成后的混凝土和鋼筋籠模型見圖5和圖6。模型分析過程中不考慮混凝土與鋼筋之間的滑移，將鋼筋嵌入混凝土模型中。模型底部采用固結(jié)，頂部約束柱截面長、寬兩個方向的位移，釋放柱頂部縱向位移，縱向荷載采用位移方式施加。

2.3 混凝土和鋼筋材料屬性

混凝土本構(gòu)采用GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》附錄C.2提供的損傷模型，混凝土的本構(gòu)模型見圖7，箍筋和縱筋均采用理想彈塑性等向強化二折線模型，彈性模量取E=2.01×1011Pa，其中強化段E′=0.015E，HRB400鋼筋的屈服強度取400 MPa，極限強度取540 MPa[1，11]。

2.4 數(shù)值模擬驗證

采用文獻[12]中某一鋼筋混凝土柱軸壓試驗的結(jié)果進行驗證，鋼筋混凝土構(gòu)件的幾何尺寸為200 mm×200 mm×900 mm?？v筋采用HRB335級鋼筋，箍筋采用HPB235級鋼筋；縱筋配筋率為2.53%，箍筋的體積配箍率為0.65%；混凝土強度等級為C25，混凝土保護層厚度為10 mm，混凝土本構(gòu)選用采用GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》附錄C.2提供的損傷模型，采用理想彈塑性等向強化二折線模型，彈性模量取E=2.01×1011Pa，其中強化段E′=0.015E。數(shù)值模擬與試驗的結(jié)果見圖8，圖中縱、橫坐標軸分別表示試件全截面平均應力和試件縱向平均應變，試驗結(jié)果的峰值強度為41.45 MPa，數(shù)值模擬的峰值強度40.69 MPa，峰值應變皆在0.3%左右，且兩者曲線的總體趨勢走向是一致的，故驗證了本文理論分析方法的正確性和力學模型的合理性。

圖5 焊接與傳統(tǒng)箍筋鋼筋籠

圖6 混凝土模型

圖7 混凝土應力-應變曲線

圖8 數(shù)值模擬與文獻的試驗結(jié)果對比

3 結(jié)果分析

3.1 混凝土柱荷載-縱向平均應變?nèi)^程描述

圖9 不同箍筋型式柱數(shù)值模擬荷載-應變曲線

圖10 不同箍筋型式柱試驗荷載-應變曲線

由于在試驗過程中，不能保證每個構(gòu)件的混凝土強度完全相同，為了更有效的對比分析構(gòu)件的軸壓性能，就需要排除混凝土強度的影響，因此將構(gòu)件的承載力項進行無量綱化處理，即把縱坐標的承載力均除以按規(guī)范算的計算值，規(guī)范計算值中鋼筋與混凝土取實測強度；在數(shù)值模擬的規(guī)范計算值中鋼筋與混凝土取規(guī)范強度，且縱坐標也作相應無量綱化處理。

數(shù)值模擬分析所采用的混凝土本構(gòu)是按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》計算的理想混凝土本構(gòu)模型，這與試驗實際情況有所不同，且本構(gòu)模型未考慮混凝土開裂以及鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)滑移，混凝土柱的承載力達到峰值時數(shù)值模擬和試驗稍有誤差，但是在量級上基本上保持一致，且兩者曲線的總體趨勢一致，即說明數(shù)值分析結(jié)果與試驗結(jié)果基本吻合。

通過圖9和圖10的曲線對比發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)復合箍筋和焊接封閉箍筋兩種混凝土柱的極限承載力均高于《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的計算值，且傳統(tǒng)復合箍筋混凝土柱的極限承載力高于焊接封閉箍筋混凝土柱，具體數(shù)值見表1，這主要是由于傳統(tǒng)復合箍筋由于存在復合箍筋的重復段，體積配箍率稍大一些，能夠進一步增強箍筋的橫向約束作用，所以極限承載力方面比焊接箍筋混凝土柱稍高。但兩種箍筋式混凝土柱的承載力/規(guī)范計算值-縱向平均應變曲線在下降段的曲線斜率是近似一致的。

表1 兩種箍筋式混凝土柱極限承載力對比

3.2 兩種箍筋式混凝土柱截面混凝土壓應力分布

圖11～14分別給出的是混凝土柱承載力峰值時刻和縱筋軸應力達到極限強度時兩種箍筋式混凝土柱1/2高度橫截面混凝土壓應力分布(圖中數(shù)值表示壓應力)。總體來說兩種箍筋式混凝土柱橫截面的壓應力分布的數(shù)值梯度和范圍是近似一致的。但焊接封閉箍筋混凝土柱截面的混凝土壓應力由大到小近似呈環(huán)向由內(nèi)向外分布，梯度明顯、層次分明，核心區(qū)域形狀規(guī)則；與焊接箍筋混凝土柱相比傳統(tǒng)復合箍筋混凝土柱截面混凝土壓應力分布雜亂，核心區(qū)域不規(guī)則，尤其在箍筋彎鉤處的混凝土有較大的應力分布(橫截面箍筋彎鉤的分布見圖1)，容易促使這一區(qū)域混凝土的剝落，造成彎鉤的脫鉤。且目前我國無任何規(guī)范和標準對復合箍筋彎鉤在施工時的位置作出說明，尤其對截面較小的柱構(gòu)件，若彎鉤施工時均集中于一角，則這一區(qū)域的混凝土非常容易在外力作用下發(fā)生脫落，先于構(gòu)件整體破壞前發(fā)生局部破壞。

由此可以得出，箍筋在發(fā)揮橫向約束作用階段與混凝土共同工作，傳統(tǒng)復合箍筋在彎鉤錨固段是斷開的，橫向約束力不能有效傳遞，不能充分發(fā)揮箍筋網(wǎng)片的整體約束作用，致使在彎鉤區(qū)域的混凝土得不到箍筋的有效約束，造成這一區(qū)域的壓應力分布較大。

圖11 承載力峰值時焊接箍筋柱混凝土壓應力分布

圖12 承載力峰值時傳統(tǒng)箍筋柱混凝土壓應力分布

圖13 縱筋極限強度時焊接箍筋柱混凝土壓應力分布

圖14 縱筋極限強度時傳統(tǒng)箍筋柱混凝土壓應力分布

3.3 兩種箍筋式混凝土柱截面箍筋的應力分布

圖15～18分別給出的是承載力峰值時刻和縱筋軸應力達到極限強度時距兩種箍筋式混凝土柱1/2高度橫截面最近一層箍筋軸應力的變化。總體來說，在不考慮傳統(tǒng)復合箍筋的重復段和彎鉤錨固段時，兩種箍筋式網(wǎng)片的軸應力分布的數(shù)值梯度和范圍是近似一致的。

焊接封閉箍筋各處軸應力分布較均勻，柱承載力峰值點處軸應力在230.1～270.7 MPa之間，縱筋軸應力達到極限強度時軸應力在481.8～525.7 MPa之間，最大值與最小值之差在43.9 MPa，箍筋外圍四周的中部和箍筋內(nèi)部核心區(qū)域軸應力相應較大，相應的橫向約束作用明顯。

傳統(tǒng)復合箍筋由于存在箍筋重復段和彎鉤錨固段，在峰值點處軸應力在106.6～249.9 MPa之間，縱筋軸應力達到極限強度時在-175.2～530.3 MPa之間，分布差異明顯。主要是由于箍筋在彎鉤錨固段斷開，造成約束力不能有效傳遞，需要在混凝土中錨固致使鋼筋的軸應力較小。且由于復合箍筋存在重復段，在重復段區(qū)域傳統(tǒng)箍筋的軸應力與焊接箍筋相同位置相比相對較小，其兩側(cè)附近處的箍筋軸應力相對較大。

圖15 承載力峰值時焊接箍筋的軸應力分布

圖16 承載力峰值時傳統(tǒng)箍筋的軸應力分布

圖17 縱筋極限強度時焊接箍筋的軸應力分布

圖18 縱筋極限強度時傳統(tǒng)箍筋的軸應力分布

3.4 兩種箍筋式混凝土柱縱筋的應力分布

圖19和圖20給出的是柱承載力峰值時刻和縱筋應力達到極限強度時兩種箍筋式混凝土柱縱筋的軸應力變化。發(fā)現(xiàn)兩種箍筋式混凝土柱縱筋的軸應力分布在柱中區(qū)域總體是一致的，僅在柱頭和柱腳處軸應力分布稍有差異。

圖19 承載力峰值時兩種混凝土柱縱筋軸應力分布

4 結(jié) 論

本文的目的為探討焊接封閉箍筋混凝土柱與傳統(tǒng)復合箍筋混凝土柱的軸壓性能，籍由試驗和數(shù)值模擬結(jié)果來分析混凝土柱中混凝土、縱筋、箍筋的力學性能變化，可歸納以下幾點結(jié)論：

兩種箍筋式混凝土柱截面的混凝土壓應力分布范圍和數(shù)值梯度總體是一致的，但焊接封閉箍筋式混凝土柱截面的壓應力分布梯度明顯、層次分明，不會出現(xiàn)傳統(tǒng)復合箍筋式混凝土柱在彎鉤處應力較大的現(xiàn)象。

焊接封閉式箍筋混凝土柱的箍筋網(wǎng)片軸應力分布均勻，不會出現(xiàn)傳統(tǒng)復合箍筋在彎鉤錨固段軸應力局部過小現(xiàn)象。

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