曾志豪

摘要：在建筑結(jié)構(gòu)中，混凝土柱主要承受豎向荷載及彎矩作用，其抗壓性能對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響顯著。以以色列內(nèi)坦亞老年公寓項(xiàng)目為研究對象，建立其數(shù)值分析模型，研究不同因素對其混凝土柱的抗壓性能的影響規(guī)律，得出如下結(jié)論：采用有限元模型對混凝土柱的抗壓性能進(jìn)行計(jì)算的準(zhǔn)確性較高，且在試樣出現(xiàn)峰值荷載前模擬效果較好。混凝土柱的偏心距、配筋率、長細(xì)比及混凝土強(qiáng)度，對其抗壓強(qiáng)度均存在一定的影響，可通過調(diào)整混凝土柱的相關(guān)參數(shù)提高抗壓承載力。

關(guān)鍵詞：混凝土柱；偏心距；抗壓強(qiáng)度；長細(xì)比

0? ?引言

混凝土柱是房建工程結(jié)構(gòu)的主要承重結(jié)構(gòu)之一，其抗壓強(qiáng)度對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響顯著。近年來，許多專家學(xué)者針對混凝土柱的受壓性能開展了相關(guān)研究。

王羨農(nóng)等人[1]以方鋼管中空夾層混凝土柱為研究對象，開展室內(nèi)試驗(yàn)，分析該混凝土柱在豎向荷載下的承載力變化及破壞形式，結(jié)果表明該混凝土柱的抗壓強(qiáng)度較高。李學(xué)彬等人[2]以混凝土柱為研究對象，開展短柱軸壓試驗(yàn)，分析其強(qiáng)度變化規(guī)律，結(jié)果表明在豎向荷載作用下，該混凝土柱的變形率為20%。鄭文忠等人[3]以高強(qiáng)混凝土柱為研究對象，開展軸壓試驗(yàn)，分析混凝土強(qiáng)度、配筋率等因素對其抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明配筋率與混凝土柱的抗壓強(qiáng)度間呈正相關(guān)關(guān)系。周靖等人[4]開展偏心抗壓試驗(yàn)，分析混凝土柱在豎向荷載下的破壞機(jī)理，研究長細(xì)比、截面尺寸對其抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明偏心距與混凝土柱的抗壓強(qiáng)度間呈正相關(guān)關(guān)系。王新玲等人[5]開展軸心受壓試驗(yàn)，分析鋼絞線對于混凝土柱抗壓強(qiáng)度的提升效果，結(jié)果表明在加入鋼絞線后，混凝土柱的抗壓強(qiáng)度可提升83%以上。

本文以以色列內(nèi)坦亞老年公寓項(xiàng)目為研究對象，采用數(shù)值分析模型，分析了偏心距、配筋率及長細(xì)比等因素對混凝土柱抗壓強(qiáng)度的影響，為項(xiàng)目順利實(shí)施提供了參考依據(jù)。

1? ?工程概況

本文以以色列內(nèi)坦亞老年公寓項(xiàng)目為研究對象。該項(xiàng)目包括1棟26層塔樓，共325套公寓，上部結(jié)構(gòu)總建筑面積1.86萬m2，無地下室，主要包括淺層基坑開挖工程、樁基工程、鋼混工程、裝修工程、安裝工程、室外工程等全部的建安工程。該建筑效果圖如圖1所示。

框架柱、混凝土墻部位的拉接筋，焊接在預(yù)留在混凝土中的預(yù)埋件上，預(yù)埋件的埋設(shè)間距及位置同拉結(jié)筋。構(gòu)造柱處的拉接筋在砌體施工時預(yù)埋，砌體與構(gòu)造柱交接部位砌成馬牙槎，待磚墻砌筑完成后再澆筑構(gòu)造柱混凝土。

2? ?建立數(shù)值分析模型

該項(xiàng)目主體結(jié)構(gòu)采用混凝土柱，為分析其抗壓承載力，建立數(shù)值分析模型。試驗(yàn)柱截面尺寸為65cm×65cm，采用的鋼筋為HRB400級，箍筋直徑為10mm。分別分析偏心距、配筋率及長細(xì)比等因素對混凝土柱抗壓強(qiáng)度的影響。采用C3D8R單元對混凝土進(jìn)行模擬，采用S4R單元、Truss單元對鋼筋及箍筋進(jìn)行模擬。數(shù)值模擬方案如表1所示。模型截面如圖2所示。

3? ?結(jié)果分析

3.1? ?模擬與試驗(yàn)工況下?lián)隙?荷載曲線

為分析有限元模擬分析混凝土柱抗壓承載力的準(zhǔn)確性，將其模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，得到撓度-荷載曲線如圖3所示。

試驗(yàn)采用液壓試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，在出現(xiàn)峰值荷載前，其加載速率為0.2mm/min，出現(xiàn)峰值荷載后，加載速率為0.5mm/min。

由圖3可知，隨著試樣位移的增大，其荷載呈先增大后減小的趨勢，在試樣達(dá)到峰值荷載之前，模擬值與試驗(yàn)值的撓度-荷載曲線差距較小，且模擬值大于試驗(yàn)值。當(dāng)試樣達(dá)到峰值荷載之后，模擬值與試驗(yàn)值的位移-荷載曲線的差異之間增大，模擬值與試驗(yàn)值間的最大差距小于6%，此時試樣荷載的模擬值小于試驗(yàn)值。

由此說明，采用有限元模型對混凝土柱的抗壓性能進(jìn)行計(jì)算的準(zhǔn)確性較高，且在試樣出現(xiàn)峰值荷載前，其模擬效果較好。

3.2? ?不同偏心距下?lián)隙?荷載曲線

為分析偏心距對混凝土柱抗壓性能的影響，分別分析偏心距為150mm、300mm、360mm下的混凝土柱抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律，得到撓度-荷載曲線如圖4所示。

由圖4可知，不同偏心距下的混凝土柱的撓度-荷載曲線變化趨勢具有一致性，隨著撓度的增大，其荷載呈先增大后減小的趨勢。當(dāng)偏心距為150mm時，試樣的峰值荷載有最大值，當(dāng)撓度為5.6mm時其峰值荷載為2407kN。當(dāng)偏心距為360mm時，試樣的峰值荷載有最小值，當(dāng)撓度為8mm時其峰值荷載為1124kN。

由此說明，混凝土柱的抗壓峰值荷載與其偏心距間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)偏心距較大時，混凝土柱的抗壓性能較差。在試樣受壓的前期，偏心距為150mm的荷載增長趨勢較為顯著，說明其剛度較大。當(dāng)試樣的偏心距較小時，試樣的變形較小，抗壓承載力較大，結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。

3.3? ?不同配筋率下?lián)隙?荷載曲線

為分析配筋率對混凝土柱抗壓強(qiáng)度的影響，分別分析配筋率為5.26%、8.44%、13.2%下的混凝土柱抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律，其撓度-荷載曲線如圖5所示。

由圖5可知，不同配筋率下的混凝土柱的峰值荷載差異較小，隨著試樣撓度的增大，不同配筋率下的試樣荷載差異逐漸增大。當(dāng)配筋率為13.2%時，試樣的峰值荷載有最大值，其值為1517.3kN；當(dāng)配筋率為5.26%時，試樣的峰值荷載有最小值，其值為1237.1kN。由此說明，試樣的抗壓強(qiáng)度與其配筋率間呈正相關(guān)關(guān)系，提高混凝土的配筋率可提升其抗壓性能。

不同配筋率下的混凝土柱峰值荷載差小于25%，相較于偏心距而言，配筋率的變化，對于混凝土柱的抗壓強(qiáng)度的影響較小。對比不同配筋率下的混凝土柱剛度可得，當(dāng)混凝土柱的配筋率較大時，其撓度-荷載曲線上升趨勢較為顯著，其剛度較大；當(dāng)混凝土柱的配筋率較小時，其撓度-荷載曲線上升趨勢較為平緩，其剛度較小。

3.4? ?不同長細(xì)比下?lián)隙?荷載曲線

為分析長細(xì)比對混凝土柱抗壓強(qiáng)度的影響，分別分析配長細(xì)比為5.3、6.8、9.8下的混凝土柱抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律，其撓度-荷載曲線如圖6所示。

由圖6可知，不同長細(xì)比下的峰值荷載差異較小。當(dāng)長細(xì)比為5.3時，其峰值荷載為1158.3kN；當(dāng)長細(xì)比為9.8時，其峰值荷載為1036.9kN。由此說明，長細(xì)比與混凝土柱的抗壓強(qiáng)度間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但是不同長細(xì)比間的峰值荷載的差異小于11%，說明長細(xì)比的改變對于混凝土柱抗壓強(qiáng)度的影響較小。

對比不同長細(xì)比下的混凝土柱的抗彎剛度可得，其間的抗彎剛度差異較為明顯。當(dāng)長細(xì)比為5.3時，其撓度-荷載曲線上升趨勢最為顯著，當(dāng)撓度為4.8mm時試樣存在峰值荷載；當(dāng)長細(xì)比為9.8時，其撓度-荷載曲線變化趨勢較為平緩，當(dāng)撓度為15mm時試樣存在峰值荷載。由此說明，混凝土柱的抗彎剛度受其長細(xì)比的影響較大，且與其長細(xì)比間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3.5? ?不同混凝土強(qiáng)度下?lián)隙?荷載曲線

為分析混凝土強(qiáng)度對混凝土柱抗壓強(qiáng)度的影響，分別分析混凝土強(qiáng)度為100MPa、120MPa、140MPa下的混凝土柱抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律，其撓度-荷載曲線如圖7所示。

由圖7可知，不同混凝土強(qiáng)度下的混凝土柱峰值荷載的差異較小。當(dāng)混凝土強(qiáng)度為140MPa時，試樣的峰值荷載有最大值，其值為1263.3kN；當(dāng)混凝土強(qiáng)度為100MPa時，試樣的峰值荷載有最小值，其值為1124.3kN。由此說明，混凝土柱的抗壓強(qiáng)度預(yù)期混凝土強(qiáng)度間呈正相關(guān)關(guān)系，但是混凝土強(qiáng)度的變化對混凝土柱抗壓強(qiáng)度的影響較小，不同混凝土強(qiáng)度間的混凝土柱抗壓強(qiáng)度峰值荷載差值小于12%。

綜上所述，可通過調(diào)整混凝土柱的相關(guān)參數(shù)提高抗壓承載力。其中，偏心距對混凝土柱抗壓強(qiáng)度的影響最大，長細(xì)比對混凝土柱的抗壓強(qiáng)度影響最小。

4? ?結(jié)束語

本文以以色列內(nèi)坦亞老年公寓項(xiàng)目為研究對象，采用數(shù)值分析模型，分別分析偏心距、配筋率及長細(xì)比等因素對混凝土柱抗壓強(qiáng)度的影響，得出以下結(jié)論：

混凝土柱的抗壓峰值荷載與其偏心距間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)偏心距較大時，混凝土柱的抗壓性能較差。在試樣受壓的前期，偏心距為150mm的荷載增長趨勢較為顯著，說明其剛度較大。所以當(dāng)試樣的偏心距較小時，試樣的變形較小，抗壓承載力較大，結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。

不同配筋率下的混凝土柱峰值荷載差異小于25%，相較于偏心距而言，配筋率的變化對于混凝土柱的抗壓強(qiáng)度的影響較小。

不同長細(xì)比下的混凝土柱的抗彎剛度差異較為明顯。當(dāng)長細(xì)比為5.3時，其撓度-荷載曲線上升趨勢最為顯著，當(dāng)撓度為4.8mm時試樣存在峰值荷載；當(dāng)長細(xì)比為9.8時，其撓度-荷載曲線變化趨勢較為平緩，當(dāng)撓度為15mm時試樣存在峰值荷載。由此說明，混凝土柱的抗彎剛度受其長細(xì)比的影響較大，且與其長細(xì)比間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

參考文獻(xiàn)

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