高强钢筋对混凝土墩柱延性性能的影响.doc

1、1高强钢筋对混凝土墩柱延性性能的影响摘要： 本文主要研究配筋率和高强比对混凝土墩柱的延性性能的影响。采用有限元软件 ANSYS 对配有不同数量的高强钢筋的混凝土墩柱进行模拟，在数值模拟的基础上提出了位移延性系数与配筋率、高强比关系的经验公式，计算结果与数值模拟结果能够较好吻合。研究表明：在条件相同的情况下，混凝土的延性系数与配筋率成正比关系。另外，在混凝土墩柱中配置高强钢筋可以改善混凝土墩柱的延性性能，但应控制在合理的范围之内，配置高强钢筋比例过高反而会使墩柱的延性性能降低，对结构的抗震有一定不利影响。 Abstract： The paper mainly researches the eff

2、ect on the performance of the ductility of concrete pier with the reinforcement ratio and the ratio of the strength. By using finite element software ANSYS， it simulates the concrete piers with the different amount of high strength reinforced. On the basis of the numerical simulation， it puts forwar

3、d the empirical formula with the displacement ductility coefficient， the reinforcement ratio and the ratio of the strength. The calculation results can coincide with the results of numerical simulation. The research has shown that under the same conditions， the ductility coefficient of concrete and

4、the 2reinforcement ratio are the proportional relationship. In addition， in the concrete piers， the high strength reinforcement can improve the ductility performance of the concrete piers， but it should be controlled in a reasonable range. If there are too much high-strength reinforcement in the con

5、crete piers， the ductility performance will be lower， so it has some adverse influence on structural seismic performance. 关键词： 高强比；ANSYS；高强钢筋；延性 Key words： the ratio of the strength；ANSYS；high-strength steel；ductility 中图分类号：TU352.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）02-0105-03 0 引言 在地震荷载作用下，墩柱通常是最容易破坏的结构构件

6、，桥梁结构的整体抗震能力与其滞回耗能有关。因此，许多学者开始对墩柱的抗震性能进行试验研究1-3。其中部分预应力混凝土桥墩（PRC 桥墩）因能够减轻结构自重，有效控制裂缝开展，屈服后刚度明显等优点，逐渐成为混凝土桥墩抗震方面的研究热点之一。日本 Ikeda 等4认为，PRC 桥墩中预应力筋在试验中始终处于弹性阶段，能量耗散并不是由预应力筋承担。Zatar5-6认为，添加预应力筋使得构件在承受较大荷载破坏时仍具有较好的恢复能力。Sakai 和 Mahin 等7-8试验结果表明，PRC 桥3墩在强震作用下表现出良好的自复位能力。张荣、苏小翠等9研究表明在墩柱中加竖向预应力筋能够改善其受力性能，具有较

7、强的复位能力。叶列平、汪训流等10研究也表明，墩柱中配置高强钢绞线，可以控制结构的残余变形，改善结构的抗震性能。王志强、葛继平等11通过对节段拼装预应力混凝土桥墩的试验研究，提出了在桥墩接缝位置配置纵向耗能钢筋，可以延缓接缝的张开，增强桥墩的耗能能力。 但是，已有的研究结果表明，预应力技术的采用在减小结构残余位移的同时也一定程度上降低了结构的耗能能力和延性性能11。在 PRC墩柱的研究中，并没有对预应力筋在结构构件中的占比给出一个明确的范围。本文拟采用高强钢筋代替预应力钢筋，对配有高强钢筋的钢筋混凝墩柱进行抗震性能研究。高强钢筋强度高，塑性变形能力差，而普通钢筋强度低，但其具有较好的延性变形能

8、力。纵筋中配置部分普通钢筋可以改善构件的延性性能。本文借助有限元软件 ANSYS，通过引入高强比来确定墩柱中高强钢筋与普通钢筋的数量比，为进一步全面研究配高强钢筋混凝土墩柱的抗震性能提供理论依据。 1 试验概况 选取文献12中试件 HHH91 与试件 HHL91 在低周荷载作用下的试验研究。试件主要参数如表 1 所示，其他详见文献12。 2 有限元数值模拟 文本采用 ANSYS 的分离式有限元模型。建模时，在加载端采用刚性垫板以防止加载时出现应力集中现象，刚性垫板采用 SOLID45 单元模拟；砼单元采用 SOLID65 单元模拟，钢筋单元采用 LINK8 单元模拟。由于采4用粘结单元模拟钢筋

9、与混凝土之间的粘结滑移关系难以收敛，所以将SOLID65 与 LINK8 单元共用节点。 2.1 有限元计算模型参数选取13 2.1.1 混凝土的本构关系 考虑到混凝土在模拟过程中具有开裂与压碎现象，本文采用 SOLID65单元模拟混凝土的开裂与压碎。采用多线性等向强化模型 MISO 模拟混凝土构件的本构关系。在混凝土的破坏阶段，采用 Willam-Warnker 五参数破坏准则模拟构件的破坏。其中，混凝土张开裂缝的剪力传递系数取0.5，闭合裂缝的剪力传递系数取 0.95。 2.1.2 钢筋的本构关系 钢筋的应力应变关系采用双线性强化模型 BKIN，本构关系采用弹塑性的双斜线模型： 2.2 有

10、限元模型设计参数 为了确定混凝土桥墩中高强纵筋与普通纵筋的数量比，本人在进行有限元数值模拟时分别建立全部普通钢筋（S1） 、2 根高强钢筋（S2） 、4根高强钢筋（S3） 、6 根高强钢筋（S4）和全部高强钢筋（S5）等模型。其主要设计参数如表 2（其中 S1 与 S4 分别与试验中的 HHH91 与 HHL91 相对应） 。有限元模型如图 1 所示。 3 模拟结果分析 3.1 破坏形态分析 试件 S1、S2、S3 等的滞回曲线均有较为明显的下降段，由此可知钢筋达到屈服，混凝土被压坏。试件 S4、S5 的滞回曲线无明显的下降段，5则说明由于钢筋强度为充分发挥，混凝土即被压碎。 3.2 滞回特性

11、分析 根据模拟的试验结果，提取各个模型的滞回曲线如图 2-图 6 所示。 通过滞回曲线的比较可知： S1 与 S3 的模拟结果与试验结果较为吻合，说明通过有限元软件ANSYS 可以模拟墩柱的低周加载。 S1 与 S2 的曲线饱满程度大体相当，说明配置较少的高强钢筋对墩柱的延性无明显的影响。 S2 与 S3 相比，滞回曲线的饱满程度均有较大提高，说明增加高强钢筋所占的比例，试件的延性性能会相应提高。 S4 的延性系数较 S3 降低，说明高强钢筋所占比例增大到一定程度，混凝土墩柱的延性反而降低。 S4 与 S5 均表现出较差的延性，试件均在弹性阶段即被破坏。说明配置较多的高强钢筋，混凝土墩柱的延性

12、不一定提高，但能够提高墩柱的极限承载能力。 3.3 试件的延性性能分析 3.3.1 高强比 在 PRC 墩柱中，高强比采用以下公式： 式中：fpy 为高强纵筋的屈服应力，Ap 为高强纵筋的面积；fy 为普通纵筋屈服强度，As 为普通纵筋面积。 3.3.2 位移延性系数 计算得到的各模拟试件的位移延性系数见表 3。 6从表 3 可以看出，位移延性系数 与配筋率、高强比、箍筋间距以及箍筋种类等因素有关。配筋率和高强比都对位移延性系数产生影响。研究发现，位移延性系数与配筋率成一次线性关系，与高强比成二次关系。因此，参照以上关系拟合本次模拟的经验公式为： ？滋=-0.995-6.8523？姿 2+5.

13、0318？姿+3.1811？籽（1） 3.3.3 影响试件的延性因素分析 影响结构延性的因素主要包括轴压比、箍筋配置、配筋率和高强比等。从表中可以看出，试件 S1 的延性比 S2 延性较好，表明配筋率对试件的延性有一定的影响；当配筋率大体相当时，S3 的延性好于 S1，而 S5的延性较 S4 差，说明高强比在一定程度上影响着墩柱的延性性能；S2和 S5 相比可知，配筋率大体相同，当全部采用高强钢筋作纵筋时，墩柱的延性反而较差，高强钢筋虽然强度较高，但由于其柔性较差，在破坏过程中提高了墩柱极限承载能力，延性作用并不明显；由 S3 与 S4 相比可知，普通纵筋在墩柱的发挥着一定的作用，是墩柱耗能的

14、关键所在，但普通钢筋的配筋率应保持在一定的合理范围内。 4 结论 本文在试验的基础上，通过大型有限元软件 ANSYS 对高强混凝土的抗震性能进行了分析。表明配筋率，高强比等参数对试件延性的影响。并通过 ANSYS 建模分析，得到如下结论： 从仿真计算与试验结果对比可以得出，在 ANSYS 中选择合理的计算参数，可以有效地模拟分析钢筋混凝土墩柱的非线性行为。 配筋率是影响构件的主要因素之一，在相同的条件下，配筋率提7高，构件的延性性能增加。 高强比对构件也有一定的影响，高强钢筋的配置，可以提高构件的抗压和抗拉强度，但应保持在一定的合理范围之内。 在 PRC 墩柱中，普通钢筋由于其强度较低，延性较

15、好，是墩柱延性耗能的关键所在。 在模拟结果的基础上，提出了配筋率、高强比等影响因素在内的经验公式，模拟结果与计算数值较为吻合。 参考文献： 1American Association of State Highway and Transportation Official. AASHTO LRFD Bridge Design Specification M. Washington D.C.， USA：s.n.，1998. 2Yeh Y K ， Mo Y L， Yang C Y . Seismic performance of rectangular hollow bridge column J

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