CRB550级钢筋约束混凝土柱抗震性能研究

田思铭

摘 要：该文主要研究的是CRB550级箍筋的混凝土柱的抗震性能，根据箍筋使用的不同钢材以及箍筋的直径、轴压比和纵筋配筋率等钢筋混凝土柱试件指标的不同，同时还在低周反复水平荷载的作用下进行模拟静力试验，整个研究共配置了3种强度等级，分别为HPB235、HRB335 和CRB550，通过对混凝土柱试件的骨架曲线和能量耗散能力等进行分析和对比，最终结果表明CRB550型的钢筋能够满足材料性能的要求，同时还能达到节省钢筋使用量，进而节约能源的目的。

关键词：CRB550级钢筋 混凝土柱 抗震性能

中图分类号：TU375.3 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）07（c）-0026-02

CRB550型冷轧钢筋是以HPB235钢筋为原料，通过冷加工制作而成。CRB550级钢筋具有较高的强度，比HPB235钢筋的强度提高了约71%，而且根据一些原则设计及构造要求制作后还可以节省30%以上的钢材，这对于低碳环保和节约能源来说具有重要的意义。目前CRB550级钢筋主要用于剪力墙中的分布筋，很少作为箍筋，因为抗震规范中对于箍筋具有明确的规定，而且还要按照要求配箍，如果使用CRB550级钢筋就会造成浪费，对于CRB550级钢筋约束混凝土柱抗震性能的相关研究可以为CRB550级钢筋的广泛使用提供理论基础。

1 对混凝土柱相关构件的性能指标进行确定

1.1 对试件进行设计以及选取合理的有限元参数

1.1.1 试件设计

在试件设计之前要先确定试验方案，选择一定数量的钢筋混凝土柱试件并进行分组，之后进行低周反复水平荷载的试验，分别研究箍筋的强度、间距和截面尺寸等相关指标的变化，从而计算CRB550箍筋约束柱所具有的抗震性能。

试件的参数设计如下：使用混凝土强度等级为C30的试件，轴压比取3种，分别为0.7、0.8和0.9，选取直径为16 mm和22 mm的HRB335级钢筋作为纵筋，使纵筋的配筋率保持在1.3%～2.5%的范围内，箍筋选用HPB235、HRB335和CRB550共3种强度等级的钢筋材料，间距选择70～150 mm。

1.1.2 有限元参数的选取

有限元参数的选取分别从网络划分、单元选取、边界条件和加载方式4个方面来考虑。首先，网络划分是一种使用纤维单元的方式来对钢筋混凝土构件进行有限元分析，因此应当对纤维的划分方式和截面的纤维数目进行合理设置，如果纤维过大的话，网络划分的计算结果精确度就会受到影响，若纤维划分数目较多的话虽然能够提高计算的精确度，却很大程度上造成计算成本的增加，引起了不必要的浪费。

其次，该研究单元选取使用的是Nonlinear Beam Column单元，这种单元通过控制截面的抗力和矩阵刚度，并使用Gauss-Lobatto的积分方法，只要已知杆长就能计算出单元截面的抗力和矩阵刚度，并且由此控制刚度的变化。该单元是以柔度法理论为基础建立而成的，采用的函数不是位移插值函数而是力插值函数，主要原理如下：不管单元分布荷载进行何种变化，假定一个内力分布，杆件在任何状态下都可以严格满足，因为这是单元控制方程之一的平衡条件。

对于边界条件来说，由于该研究只限于二维空间上的问题，因此根据有限元模型的试验条件，将固定端设置为钢筋混凝土柱试件的根部，根部共有1个转动自由度以及两个平动自由度，将这些全部约束住，这样就可以通过程序的相应命令将根部实现固接。

有限元模型采用的加载方式是低周往复位移控制加载，在试验过程中，根据试件轴压比的不同，施加合适的竖向荷载，竖向荷载的10个加载步全部都是采用力控制，在水平力施加时是以屈服位移值为基础分级进行加倍施加，并每级循环3次，控制每个加载步的位移为0.1 mm。

1.2 混凝土柱构件性能状态的相关控制准则

构件在不同的状态下，其性能指标也有所区别，因此抗震设计的方法应当进行严格控制。混凝土构件在地震作用的考验下具有两个非常重要的性能状态，分别是承载力和变形极限，也可以称为屈服状态和极限状态。目前抗震规范中对于建筑物的水准有3个要求，分别是小震不坏、中震可修、大震不倒，这也是根据构件本身的受力情况和性能状态来确定的。构件在达到屈服状态之前，混凝土由于拉力而开裂，钢筋也处于弹性受拉的状态，但此时构件基本是是完好的，因此可以将钢筋混凝土柱构件此时的状态作为小震下构件的性能状态；相反，如果构件遭到了严重破坏，承载力急速下降或者弹塑性变形能力到达了极限的情况，此时可以将构件的状态叫做大震下构件的性能状态；而中震下构件的性能状态应该是大震和小震之间的状态，因此将构件水平力在达到峰值时的状态视作中震下构件的变形，但是一般情况下，中震下的构件水平力无法达到峰值，因此选取0.9作为一个系数，即水平承载力峰值的塑压变形情况的0.9倍以及大震状态下构件变形情况的一半就是中震下构件的塑压变形的范围，此时构件的状态就是中震下对应的状态。

1.3 选取混凝土柱构件变形指标

在水平荷载作用下，钢筋混凝土构件的变形度越大，其弹塑性发展情况和破坏程度就会越严重，因此混凝土柱构件变形指标采用的是与构件的变形相关的一些变量，这样可以更好地反映出构件的性能状态。

2 有关钢筋混凝土柱试件抗震性能的研究

2.1 对比与分析试件骨架曲线

试件骨架曲线是在低周往复荷载作用下滞回曲线的所有峰值点的连线，大多数情况下，骨架曲线与单调加载时荷载-位移曲线的形状十分相似。试验结果表明：在箍筋抗拉强度相等的条件下，CRB550级箍筋混凝土试件由于其直径较小，因此其力学性能比普通的钢筋配箍混凝土试件更好，而且其他组的强度和刚度退化情况研究中，也出现了类似的情况。试验中，有些试件由于纵向钢筋被拉断而承载力被大幅度降低，因此得出的骨架曲线在达到极限荷载后出现了大幅度下降，曲线比较陡峭。

2.2 对比与分析试件的能量耗散能力

低周往复加载试验中可以得出以下结论：（1）随着控制位移的增大，试件的耗能系数先增大，后减小。（2）试件的耗能系数在1.0～2.0的范围内，可以看出构件具有良好的耗能性。（3）得出的耗能系数由于试件的屈服位移的不同而不同，但是最终的曲线具有良好的吻合效果，说明CRB550级钢筋作为箍筋使用是可行的。

2.3 关于CRB550级高强箍筋直径使用限值提出的有效建议

通过上述的各项研究结果，在对不同强度等级的箍筋试件进行耗能性能、承载力和刚度退化等多种抗震性能进行测试后，可以对CRB550级钢筋作为箍筋使用时提出一些建议。箍筋的最小直径应当适当地减小，但是务必要满足《建筑抗震设计规范》和《混凝土结构设计规范》的要求，同时体积配箍率与箍筋最大间距等指标的确定也要参考相应的标准。

3 结语

通过上述研究对不同钢材构件的抗震性能分析之后决定采用CRB550级钢筋来作为混凝土柱箍筋，主要原因是CRB550级钢筋的直径比HPB235或HRB335级钢筋更小，同时这三者之间的承载力、刚度和耗能能力并没有明显的区别，而且满足相应规范各项指标的要求，具有较好的抗震性能。对于CRB550级钢筋的有效利用能够有力地减少钢筋用量，进而达到节省能源的效果。

参考文献

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