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        基于修正斜壓場的RC框架邊節(jié)點(diǎn)剪切性能分析

        2019-12-21 02:00:14鄭建嵐
        關(guān)鍵詞:屈服應(yīng)力剪切應(yīng)力變化率

        孫 禎,鄭建嵐

        (1.福州大學(xué)土木工程學(xué)院,福建 福州 350108;2.福建江夏學(xué)院工程學(xué)院,福建 福州 350108;3.福建省環(huán)保節(jié)能型高性能混凝土協(xié)同創(chuàng)新中心,福建 福州 350108)

        0 引言

        修正斜壓場理論(modified compression-field theory,MCFT)[1]考慮了混凝土開裂和鋼筋屈服對鋼筋混凝土板剪切性能的影響,可用于模擬梁[2-6]、柱[7-8]和節(jié)點(diǎn)[9-11]的剪切受力性能.當(dāng)模擬框架節(jié)點(diǎn)在地震作用下的反應(yīng)時,基于MCFT的剪切損傷機(jī)理與試驗(yàn)觀測的節(jié)點(diǎn)剪切破壞模式相似[12-13],可用于定義反復(fù)荷載作用下鋼筋混凝土框架節(jié)點(diǎn)的剪切應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系[14-15],但較少有人研究鋼筋屈服強(qiáng)度和混凝土抗壓強(qiáng)度對鋼筋混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)剪切性能的影響規(guī)律.

        本文以某縮尺鋼筋混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)試件為研究對象,首先測量其在反復(fù)荷載作用下的剪切應(yīng)力-應(yīng)變骨架曲線;之后基于修正斜壓場理論(MCFT),數(shù)值計(jì)算出相應(yīng)的剪切應(yīng)力-應(yīng)變骨架曲線,并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比;在驗(yàn)證其可行性后,以鋼筋屈服強(qiáng)度和混凝土抗壓強(qiáng)度為變量進(jìn)行參數(shù)分析(各變量的變化率取±5%、±10%、±15%和±20%),研究鋼筋屈服強(qiáng)度和混凝土抗壓強(qiáng)度對試件剪切應(yīng)力-應(yīng)變骨架曲線和峰值剪切應(yīng)力的影響規(guī)律.

        1 試驗(yàn)概況

        1.1 節(jié)點(diǎn)試件與材料

        鋼筋混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)試件的尺寸及配筋見圖1.混凝土立方體抗壓強(qiáng)度約62 MPa,梁縱筋為直徑22 mm的HRB400變形鋼筋,屈服強(qiáng)度469 MPa、極限強(qiáng)度588 MPa;柱縱筋為直徑18 mm的HRB400變形鋼筋,屈服強(qiáng)度505 MPa、極限強(qiáng)度628 MPa;箍筋為直徑6 mm的HPB300光圓鋼筋,屈服強(qiáng)度318 MPa、極限強(qiáng)度429 MPa.

        1.2 試驗(yàn)方法與量測

        對柱端施加恒定軸壓力450 kN(軸壓比0.15),對梁端按±2.5、±5、±7.5、±10、±20、±30和±40 mm進(jìn)行豎向位移控制加載,每級加載循環(huán)三次.

        剪切應(yīng)力由MTS系統(tǒng)量測的梁端力計(jì)算,剪切變形通過架設(shè)在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)對角線方向的導(dǎo)桿引伸儀(圖1)量測并進(jìn)行推算[16],具體計(jì)算公式見文獻(xiàn)[17-18].

        1.3 試驗(yàn)結(jié)果

        試件的剪切應(yīng)力τ-剪切應(yīng)變γ曲線見圖2,其中黑色實(shí)線為隨加載位移變化的剪切應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線,紅色虛線為剪切應(yīng)力-應(yīng)變骨架曲線,實(shí)測峰值剪切應(yīng)力為11.38 MPa.

        圖1 框架邊節(jié)點(diǎn)尺寸、配筋與量測(單位:mm)Fig.1 Dimension,details and measurement of exterior joint(unit:mm)

        圖2 試件剪切應(yīng)力τ-應(yīng)變γ曲線Fig.2 Shear stress-strain curves of specimen

        2 基于修正斜壓場理論的算法

        1986年Vecchio等[1]提出修正斜壓場理論,定義一個適用于鋼筋混凝土板的平面應(yīng)力模型,利用平均應(yīng)力和應(yīng)變建立鋼筋和混凝土之間的受力平衡和變形協(xié)調(diào)關(guān)系,確定鋼筋和混凝土材料本構(gòu)關(guān)系后,計(jì)算鋼筋混凝土平面單元在軸力和剪力復(fù)合作用下的剪切應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系.Altoontash[19]在此基礎(chǔ)上考慮軟化效應(yīng),采用位移控制方法確定剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線,詳見圖3,計(jì)算公式參考文獻(xiàn)[1,19].

        圖4為節(jié)點(diǎn)試件剪切應(yīng)力-應(yīng)變骨架曲線的數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果對比圖,結(jié)果表明:1)實(shí)測曲線的初始斜率高于數(shù)值模擬曲線,即相同剪切應(yīng)力下,剪切應(yīng)變的試驗(yàn)值較理論值略小.原因可能是MCFT算法的簡化假設(shè)導(dǎo)致計(jì)算誤差;以及在試驗(yàn)加載初期剪切變形較小,導(dǎo)桿引伸儀對此不敏感、測得的數(shù)據(jù)較小,在加載后期剪切變形較大,此時導(dǎo)桿引伸儀測得的數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確.2)數(shù)值模擬曲線與實(shí)測曲線的形狀大致相同,峰值剪切應(yīng)力的試驗(yàn)值為11.38 MPa,模擬值為10.79 MPa、較試驗(yàn)值下降了5.1%.說明基于MCFT算法可以較好地模擬鋼筋混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)的剪切應(yīng)力-應(yīng)變骨架曲線,且趨于保守.

        圖3 MCFT算法流程圖Fig.3 Flow diagram of MCFT algorithm

        圖4 節(jié)點(diǎn)剪切應(yīng)力τ-應(yīng)變γ骨架曲線Fig.4 Simulated and test shear stress-strain curves of joint

        3 RC框架邊節(jié)點(diǎn)剪切性能參數(shù)分析

        3.1 鋼筋屈服應(yīng)力影響分析

        在考慮鋼筋屈服應(yīng)力變化時,考慮節(jié)點(diǎn)核心區(qū)所有鋼筋的屈服強(qiáng)度,包括箍筋和柱縱筋等,即所有鋼筋的屈服強(qiáng)度變化率Δfy相等.鋼筋屈服應(yīng)力變化率Δfy(-20%~20%)對節(jié)點(diǎn)剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響規(guī)律見圖5,鋼筋屈服應(yīng)力變化率Δfy(-20%~20%)對峰值剪切應(yīng)力變化率Δτmax的影響規(guī)律見圖6.

        圖5 屈服應(yīng)力對剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響Fig.5 Effect of yield stress on shear stress-strain curve

        圖6 屈服應(yīng)力對峰值剪切應(yīng)力的影響Fig.6 Effect of yield stress on peak shear stress

        從圖5可看出:1)當(dāng)-5%<Δfy<20%時,各曲線重合,說明該試件節(jié)點(diǎn)配筋足夠,試件的剪切性能主要受混凝土強(qiáng)度的影響,此時,提升鋼筋屈服應(yīng)力無法改善節(jié)點(diǎn)的剪切性能;2)當(dāng)Δfy<-5%時,剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線只有上升段沒有下降段,原因是MCFT模型計(jì)算的混凝土平均拉力fc1超過設(shè)定的上限值,模型無法收斂,參考圖3的步驟12,說明由于配筋較少導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)在開裂處發(fā)生鋼筋滑移破壞,進(jìn)而影響了節(jié)點(diǎn)的抗剪性能.圖6的計(jì)算結(jié)果表明:1)當(dāng)-5%<Δfy<20%時,試件的峰值剪切應(yīng)力τmax約為10.79 MPa;2)當(dāng)Δfy分別為-10%、-15%和-20%時,試件的峰值剪切應(yīng)力分別為10.38、9.91和8.38 MPa,較初始峰值剪切應(yīng)力(10.79 MPa)分別下降了3.76%、8.15%、22.33%.可以看出,當(dāng)鋼筋屈服應(yīng)力下降超過10%時,節(jié)點(diǎn)的峰值剪切應(yīng)力會大幅下降.

        3.2 混凝土抗壓強(qiáng)度影響分析

        混凝土抗壓強(qiáng)度變化率Δfc(-20%~20%)對節(jié)點(diǎn)剪切應(yīng)力-應(yīng)變骨架曲線的影響規(guī)律見圖7.可以看出:在加載初期(剪切應(yīng)變小于0.002 rad時),混凝土抗壓強(qiáng)度的變化對剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響較小;在加載中后期,隨著混凝土抗壓強(qiáng)度增加,節(jié)點(diǎn)剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線不斷向上移,且差距越來越大.其中,當(dāng)Δfc>10%時,剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線只有上升段沒有下降段,原因是MCFT模型的計(jì)算結(jié)果顯示fsxcr>fyx,說明混凝土強(qiáng)度過大,導(dǎo)致混凝土開裂荷載大于鋼筋屈服荷載,此時開裂處的破壞荷載由鋼筋屈服荷載決定,節(jié)點(diǎn)發(fā)生脆性破壞,故沒有下降段.

        混凝土抗壓強(qiáng)度變化率Δfc(-20%~20%)對峰值剪切應(yīng)力變化率Δτmax的影響規(guī)律見圖8.計(jì)算結(jié)果表明:當(dāng)Δfc分別為-20%、-15%、-10%、-5%、5%、10%、15%和20%時,試件的峰值剪切應(yīng)力分別為9.18、9.59、10.00、10.40、11.17、11.55、11.56和11.58 MPa,分別較初始峰值剪切應(yīng)力(10.79 MPa)變化了-14.97%、-11.10%、-7.32%、-3.62%、3.55%、7.03%、7.14%和7.34%.可以看出:隨著混凝土抗壓強(qiáng)度的增加,節(jié)點(diǎn)的峰值剪切應(yīng)力會不斷提高,當(dāng)混凝土抗壓強(qiáng)度的增幅超過10%時,峰值剪切應(yīng)力基本保持不變,說明過高的混凝土抗壓強(qiáng)度對改善試件的剪切性能效果不明顯.

        圖7 抗壓強(qiáng)度對剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響Fig.7 Influence of compressive strength on shear stress-strain curve

        3.3 參數(shù)敏感性分析

        鋼筋屈服應(yīng)力變化Δfy和混凝土抗壓強(qiáng)度變化Δfc對試件峰值剪切應(yīng)力變化率Δτmax的影響規(guī)律見圖9.可以看出:當(dāng)各參數(shù)的變化率介于-16.45%~20%之間時,峰值剪切應(yīng)力對混凝土抗壓強(qiáng)度的變化更為敏感,原因是MCFT算法假設(shè)試件基于斜壓桿模型傳遞剪力,即節(jié)點(diǎn)試件的剪力主要由節(jié)點(diǎn)核心區(qū)斜向混凝土承擔(dān).當(dāng)各參數(shù)的變化率小于-16.45%時,峰值剪切應(yīng)力對鋼筋屈服應(yīng)力的變化更為敏感,原因是鋼筋屈服應(yīng)力過低導(dǎo)致試件發(fā)生鋼筋滑移破壞,此時節(jié)點(diǎn)剪切性能主要由鋼筋屈服應(yīng)力決定.

        4 結(jié)語

        1)基于MCFT(修正斜壓場理論)可較好地模擬鋼筋混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)的剪切應(yīng)力-應(yīng)變骨架曲線,為模擬不同材料劣化程度下鋼筋混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)的抗震性能提供剪切本構(gòu)關(guān)系模型.

        2)框架邊節(jié)點(diǎn)的剪力由鋼筋和混凝土協(xié)同承擔(dān),單一加強(qiáng)某一材料的力學(xué)性能并不會顯著提升其抗剪性能.

        3)當(dāng)鋼筋屈服應(yīng)力(HRB400)下降幅度超過10%時,節(jié)點(diǎn)發(fā)生鋼筋滑移破壞,此時峰值剪切應(yīng)力會大幅下降;當(dāng)各參數(shù)變化率介于-16.45%~20%之間時,峰值剪切應(yīng)力對混凝土抗壓強(qiáng)度的變化更為敏感.

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