李楊輝,薛偉辰,夏 康,李 亞,2

(1.同濟大學建筑工程系,上海 200092; 2.上海師范大學建筑工程學院,上海 201418)

0 引言

成型鋼筋是一種采用機械加工、自動成型的鋼筋制品,具備信息化管理系統(tǒng)、專業(yè)化加工機構(gòu)和自動化加工設(shè)備三要素,可提高鋼筋的施工效率和質(zhì)量[1],減少混凝土構(gòu)件的生產(chǎn)成本和環(huán)境污染[2]。成型鋼筋起源于20世紀初的英國,經(jīng)過一個多世紀的發(fā)展,英美等發(fā)達國家已掌握了成熟的鋼筋成型技術(shù)[3-4]。我國從20世紀末開始從國外引進成型鋼筋生產(chǎn)線,對成型鋼筋生產(chǎn)技術(shù)進行了系列研究[5-7],促進了成型鋼筋生產(chǎn)技術(shù)的提高和工程應(yīng)用[8],但目前生產(chǎn)水平和英美等發(fā)達國家相比仍有差距。住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)的《建筑業(yè)10項新技術(shù)(2017年版)》包括建筑用成型鋼筋制品加工與配送技術(shù),進一步促進了成型鋼筋的推廣應(yīng)用。

鋼筋焊接網(wǎng)和成型鋼筋骨架[9]是2種常見的成型鋼筋。鋼筋焊接網(wǎng)是指縱向鋼筋和橫向鋼筋按一定間距排列、交叉點焊接在一起的鋼筋網(wǎng)片,具有間距均勻準確、焊接點強度高的特點,適用于樓板等結(jié)構(gòu)。成型鋼筋骨架包括繞箍成型鋼筋、穿箍成型鋼筋,如圖1所示,適用于梁、柱等構(gòu)件。

圖1 成型鋼筋

鋼筋混凝土T形梁是建筑工程和橋梁工程中常用的構(gòu)件形式,具有良好的受力性能[10-11]和綜合經(jīng)濟效益[12]。根據(jù)澆筑方式的不同,鋼筋混凝土T形梁分為鋼筋混凝土T形疊合梁和鋼筋混凝土T形現(xiàn)澆梁。傳統(tǒng)的鋼筋混凝土T形梁通常采用手工綁扎鋼筋,薛偉辰等[13]對手工綁扎鋼筋混凝土T形疊合梁及其現(xiàn)澆梁的抗震性能進行了試驗研究,研究表明,疊合梁和現(xiàn)澆梁的抗彎承載力相差在10%以內(nèi),位移延性系數(shù)均>4.8。在鋼筋混凝土T形梁鋼筋的綁扎過程中,翼緣鋼筋存在漏綁、跳綁和被踩踏風險,腹板鋼筋骨架易變形,縱筋和箍筋位置竄動。手工綁扎鋼筋依賴鋼筋技術(shù)工人對鋼筋進行裁剪、彎折和綁扎,施工精度低、效率低、綁扎質(zhì)量不易保證。成型鋼筋混凝土T形梁的翼緣采用鋼筋焊接網(wǎng)、腹板采用成型鋼筋骨架,提高了鋼筋綁扎效率和質(zhì)量,與手工綁扎鋼筋相比,生產(chǎn)成型鋼筋混凝土T形梁所需工時和費用均可減少50%以上[2]。

成型鋼筋混凝土T形疊合梁兼有成型鋼筋和T形疊合梁的優(yōu)點,是一種工業(yè)化程度較高、受力性能良好的預(yù)制構(gòu)件,具有廣闊的應(yīng)用前景。但目前對成型鋼筋混凝土T形疊合梁的抗震性能研究幾乎沒有,本課題組完成的成型鋼筋混凝土矩形現(xiàn)澆梁的低周反復(fù)荷載試驗[14]表明,分別配置繞箍成型鋼筋、穿箍成型鋼筋現(xiàn)澆梁和手工綁扎鋼筋現(xiàn)澆梁的抗彎承載力相差在10%以內(nèi),位移延性系數(shù)均>4.0,成型鋼筋矩形現(xiàn)澆梁具有良好的抗震性能。

在標準方面,GB/T 1 499.3—2022《鋼筋混凝土用鋼 第3部分:鋼筋焊接網(wǎng)》[15]、GB/T 29733—2013《混凝土結(jié)構(gòu)用成型鋼筋制品》[16]、JGJ 114—2014《鋼筋焊接網(wǎng)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[17]、JGJ 366—2015《混凝土結(jié)構(gòu)成型鋼筋應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》[18]等對成型鋼筋的加工制備和配送驗收等給出了明確規(guī)定,但對成型鋼筋混凝土構(gòu)件受力性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計的規(guī)定較缺乏。

綜上可見,成型鋼筋具有生產(chǎn)效率高、質(zhì)量穩(wěn)定、經(jīng)濟性好等特點,成型鋼筋混凝土梁具有廣闊的應(yīng)用前景。但目前對成型鋼筋混凝土梁抗震性能的研究僅限于數(shù)量不多的成型鋼筋混凝土矩形現(xiàn)澆梁,對成型鋼筋混凝土T形現(xiàn)澆梁及其疊合梁的抗震性能研究幾乎沒有,有待進一步展開。

本文基于有限元軟件ABAQUS建立了成型鋼筋混凝土T形梁的非線性有限元模型,基于筆者所做成型鋼筋混凝土T形梁低周反復(fù)荷載試驗對模型進行驗證。在此基礎(chǔ)上,進一步研究了鋼筋成型工藝(手工綁扎、繞箍成型、穿箍成型)、混凝土澆筑方式(現(xiàn)澆、疊合)、混凝土強度(C30,C40,C50)、縱筋配筋率(0.4%,0.6%,0.8%,1.2%)、配箍率(0.2%,0.4%,0.6%)對鋼筋混凝土T形梁抗震性能的影響規(guī)律。

1 有限元建模

采用ABAQUS軟件進行建模,混凝土本構(gòu)關(guān)系采用塑性-損傷本構(gòu)模型(CDP),以考慮低周反復(fù)荷載下混凝土的累積損傷,混凝土CDP模型參數(shù)如下:膨脹角30°,偏心率0.1,fbo/fco取1.16,K取0.667,黏性系數(shù)取0.005。鋼筋本構(gòu)關(guān)系采用考慮鋼筋強化的雙折線彈塑性模型?；炷梁弯摻畋緲?gòu)關(guān)系按GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(2015年版)[19]規(guī)定取值,混凝土強度和彈性模量、鋼筋強度和彈性模量等參數(shù)均按試驗實測值設(shè)置。

混凝土采用三維實體單元(C3D8R),形狀為六面體。鋼筋采用桁架單元(T3D2),不考慮剪切變形。由于成型鋼筋骨架的箍筋和縱筋間采用焊接連接,整體性較好,故對成型鋼筋骨架的箍筋和縱筋進行合并(merge),并采用內(nèi)置(embedded region)將鋼筋嵌入混凝土以考慮鋼筋與混凝土間的黏結(jié)錨固。繞箍成型、穿箍成型鋼筋均按實際構(gòu)造和形狀進行建模。預(yù)制混凝土與后澆混凝土交界面采用面-面(surface-to-surface)接觸,接觸為庫侖摩擦型接觸,切線方向的黏結(jié)滑移接觸設(shè)為罰函數(shù)以傳遞切向應(yīng)力,摩擦系數(shù)取0.5,法線方向設(shè)為硬接觸以傳遞法向應(yīng)力。模型梁端簡支,在梁跨三分點處施加低周反復(fù)荷載,有限元模型與加載制度如圖2所示。

圖2 有限元模型和加載制度

2 試驗概況

2.1 試驗設(shè)計

成型鋼筋混凝土T形梁低周反復(fù)荷載試驗包括3根足尺混凝土梁:手工綁扎鋼筋混凝土T形現(xiàn)澆梁(RCB)、繞箍成型鋼筋混凝土T形疊合梁(PCB-1)、穿箍成型鋼筋混凝土T形疊合梁(PCB-2)。梁長度均為4 500mm,凈跨均為4 100mm,試件截面幾何尺寸及配筋如圖3所示。混凝土為C40,鋼筋為HRB400,鋼筋的材料性能如表1所示。

表1 鋼筋實測力學性能指標

圖3 試件截面與配筋

2.2 試驗裝置與加載制度

試驗中梁兩端簡支,利用分配梁在梁跨三分點處對梁施加低周反復(fù)荷載,加載方法采用JGJ/T 101—2015《建筑抗震試驗規(guī)程》[20]中規(guī)定的荷載-位移混合控制法,加載與加載制度如圖4所示。規(guī)定向下加載(+P)為正向加載,向上加載(-P)為反向加載,頂部混凝土受壓(拉)時所對應(yīng)的截面彎矩為正(負)彎矩。

圖4 加載示意與加載制度

3 有限元模型驗證

3.1 破壞形態(tài)

試驗試件和有限元模型破壞形態(tài)如圖5所示,由圖可知,有限元模型RCB破壞時底部混凝土損傷因子達到破壞限值,表明梁底部混凝土壓潰;有限元模型PCB-1,PCB-2破壞時底部縱筋和箍筋達到極限拉應(yīng)力,表明底部縱筋和箍筋拉斷。對比結(jié)果表明,有限元模型和試驗試件破壞形態(tài)吻合良好。

圖5 試件破壞形態(tài)

3.2 荷載-位移曲線

通過有限元模擬得到的滯回曲線和試驗的滯回曲線總體上較接近(見圖6),有限元模型的滯回曲線“捏縮”較小,原因是有限元模擬中未考慮鋼筋和混凝土間的黏結(jié)滑移及混凝土裂面效應(yīng)的影響。試件RCB,PCB-1,PCB-2的有限元骨架曲線和試驗骨架曲線相近(見圖7),試驗試件的初始剛度略大于有限元模型,原因是試驗中梁的滑動支座存在摩擦,使得試驗試件的水平約束作用大于有限元模型,試驗試件的初始剛度較大。

圖6 試件荷載-位移滯回曲線

圖7 試件骨架曲線

3.3 承載力與位移延性

試驗試件和有限元模型的承載力、位移延性如表2所示,由表可知,所有試件有限元模擬和試驗的正向承載力相差在9.7%以內(nèi),反向承載力相差在9.2%以內(nèi);所有試件有限元模擬和試驗的正向位移延性相差在6.0%以內(nèi),反向位移延性相差在9.6%以內(nèi)。有限元模擬和試驗的承載力、位移延性相差較小,均在10%以內(nèi),表明有限元模擬結(jié)果和試驗結(jié)果吻合良好,驗證了本文有限元模型的有效性。

表2 試件承載力和位移延性

4 參數(shù)分析

4.1 參數(shù)選取

繞箍成型鋼筋的成型工藝和成型形狀與手工綁扎鋼筋均有較大差異,為突出成型鋼筋的特點,建立20個繞箍成型鋼筋混凝土T形梁有限元模型,進一步研究混凝土澆筑方式及強度、縱筋配筋率及配箍率對其抗震性能的影響規(guī)律:澆筑方式為現(xiàn)澆與疊合,混凝土強度等級分別為C30,C40,C50,縱筋配筋率分別為0.4%,0.6%,0.8%,1.2%,配箍率分別為0.2%,0.4%,0.6%。為便于比較,采用骨架曲線對其進行分析。

4.2 混凝土強度等級

由不同混凝土強度等級下梁骨架曲線(見圖8)可知,無論是現(xiàn)澆梁還是疊合梁,混凝土強度等級對梁的骨架曲線影響很小。各梁的正向抗彎承載力幾乎相同,原因是梁均為對稱配筋,正向承載力可視為上下縱筋應(yīng)力提供,混凝土的影響很小。反向承載力可認為是上下縱筋形成的彎矩和板內(nèi)分布筋與混凝土形成的彎矩之和,混凝土強度等級提高減小了受壓區(qū)高度,使得板內(nèi)分布筋與混凝土形成的彎矩略有提高,使得反向承載力產(chǎn)生較小差別。不同混凝土強度等級的梁的位移延性差別很小,疊合梁的正、反向位移延性系數(shù)分別約在4.3和5.0?；炷翉姸鹊燃墳镃40的疊合梁的骨架曲線高于現(xiàn)澆梁的骨架曲線,且反向骨架曲線的差別大于正向骨架曲線,原因是疊合梁的板分布鋼筋對承載力的貢獻小于現(xiàn)澆梁,且在反向更顯著。

圖8 不同混凝土強度等級下梁骨架曲線

4.3 縱筋配筋率

由不同縱筋配筋率下梁骨架曲線(見圖9)可知,縱筋配筋率對骨架曲線的影響較大。隨著縱筋配筋率的提高,現(xiàn)澆梁和疊合梁的正、反向抗彎承載力均提高。隨著縱筋配筋率提高,梁的位移延性有所降低。相比于縱筋配筋率為0.4%的繞箍成型鋼筋疊合梁,縱筋配筋率為0.6%,0.8%,1.2%試件的正、反向抗彎承載力分別提高25%,53%,93%和18%,29%,48%,正向位移延性系數(shù)由4.3下降為4.2,4.1,4.0,反向位移延性系數(shù)由5.0下降為4.8,4.6,4.5。

圖9 不同縱筋配筋率下梁骨架曲線

4.4 混凝土澆筑方式

為研究混凝土澆筑方式(現(xiàn)澆、疊合)對梁的承載力影響,選取對承載力影響較大的縱筋配筋率參數(shù),不同縱筋配筋率下疊合梁和現(xiàn)澆梁的正、反向抗彎承載力如圖10所示。由圖可知,當縱筋配筋率由0.4%提高到1.2%,現(xiàn)澆梁的正向承載力由150.8kN提高到297.7kN,反向承載力由423.1kN提高到652.8kN;疊合梁的正向承載力由142.5kN提高到274.5kN,反向承載力由399.7kN提高到590.5kN。相對于現(xiàn)澆梁,疊合梁的承載力有略微減小,疊合梁的正、反向承載力分別比現(xiàn)澆梁的低6%和10%以內(nèi)。

圖10 疊合梁和現(xiàn)澆梁抗彎承載力

4.5 配箍率

由不同配箍率下梁骨架曲線(見圖11)可知,配箍率對梁骨架曲線的影響很小。由于有限元分析中的梁均按“強剪弱彎”的原則進行設(shè)計,梁的破壞均為受彎破壞,過大的箍筋配置對梁的抗震性能影響較小。配箍率為0.6%的疊合梁的正、反向抗彎承載力略高于現(xiàn)澆梁。

圖11 不同配箍率下梁骨架曲線

5 結(jié)語

1)基于有限元軟件ABAQUS建立了成型鋼筋混凝土T形梁的非線性有限元模型,建模中考慮了成型鋼筋的構(gòu)造。

2)低周反復(fù)荷載試驗結(jié)果表明,繞箍成型、穿箍成型鋼筋混凝土T形疊合梁和手工綁扎鋼筋混凝土T形現(xiàn)澆梁的抗震性能相當,各試件的位移延性系數(shù)為4.4～5.2。有限元分析結(jié)果與試驗結(jié)果吻合良好,驗證了有限元模型的有效性。

3)建立了20個成型鋼筋混凝土T形梁的有限元模型,研究了混凝土澆筑方式及強度、縱筋配筋率及配箍率對鋼筋混凝土T形梁抗震性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明:①繞箍成型鋼筋混凝土T形疊合梁與現(xiàn)澆梁的骨架曲線較相近,疊合梁的正、反向抗彎承載力分別比現(xiàn)澆梁的低6%和10%以內(nèi)。②縱筋配筋率對繞箍成型鋼筋混凝土T形梁的骨架曲線影響較大。相比于縱筋配筋率為0.4%的繞箍成型鋼筋疊合梁,縱筋配筋率為0.6%～1.2%試件的正、反向抗彎承載力分別提高了25%～93%,18%～48%, 正向位移延性系數(shù)由4.3下降為4.2～4.0,反向位移延性系數(shù)由5.0下降為4.8～4.5。③混凝土強度等級和配箍率對繞箍成型鋼筋混凝土T形梁的抗彎承載力和位移延性系數(shù)影響在4%以內(nèi),影響較小。