循环荷载作用下SFRC/RC组合柱抗震性能研究*

张军朋，方先慧

(昆明理工大学建筑工程学院，云南 昆明 650500)

0 引言

钢筋混凝土(reinforced concrete，RC)框架柱是建筑结构中重要的承重和水平抗力构件，对结构整体性能具有重要影响[1-2]，在地震作用下，RC柱会发生弯剪、剪切、压屈等破坏[3]。大量地震灾害表明，RC柱破坏是引起建筑物倒塌的主要原因[3]，提高RC柱抗震性能一直是工程界关心的问题。

基于此，多位学者对影响RC柱抗震性能的因素进行了分析，如李艳艳等[4]对7根RC柱进行循环加载试验，结果表明当轴压比较大时，RC柱刚度退化能力增大，延性降低，当配箍率增大时，RC柱耗能能力得到提升；Belkacem等[5]对RC柱抗震性能进行分析，结果表明轴压比和配箍率对RC柱抗震性能的影响较大；葛文杰等[6]研究了循环荷载作用下4根500MPa级RC矩形截面柱抗震性能，结果表明RC柱抗震性能随着轴压比的减小、配箍率的增大而提高。

由以上研究可知，在一定范围内减小轴压比、增大配箍率能够提高RC柱抗震性能。由于RC柱破坏部位通常出现在柱端，因此多位学者通过在柱端局部使用高延性混凝土代替普通混凝土改善RC柱抗震特性，如陈俊涵[7]通过在RC柱端局部采用高韧性水泥基复合材料(engineered cementitious composite，ECC)，并对RC柱和ECC/RC组合柱进行拟静力试验，结果表明ECC/RC组合柱滞回曲线更饱满，具有更好的延性和耗能能力；梁兴文等[8]采用纤维增强混凝土(fiber reinforced concrete，FRC)局部代替柱端普通混凝土，并对其耗能能力进行研究，结果表明与RC柱相比，FRC柱具有较好的耗能能力。

然而，目前关于钢纤维混凝土(steel fiber reinforced concrete，SFRC)在RC柱端局部代替普通混凝土并对其抗震性能进行研究的成果较少。因此，本文采用有限元软件ABAQUS对SFRC/RC组合柱与RC柱进行数值模拟计算分析，将耗能、延性作为试件抗震性能评价指标，研究轴压比、配箍率对SFRC/RC组合柱抗震性能的影响，并对比分析SFRC/RC组合柱和RC柱抗震性能。

1 模型建立

1.1 材料与单元选取

采用有限元软件ABAQUS中的混凝土损伤塑性模型对混凝土和钢纤维混凝土进行模拟。该模型中引入了损伤因子，对模拟循环荷载作用下混凝土力学性能具有较好的效果[9-10]。

由于循环荷载作用下混凝土与钢筋之间存在黏结滑移现象，通过削弱钢筋刚度，增大滞后能耗影响系数，以模拟混凝土与钢筋之间的黏结滑移损伤[11]。

混凝土与钢纤维混凝土均采用八结点六面体线性减缩积分实体单元(C3D8R)模拟，钢筋采用桁架Truss单元(T3D2)模拟[12-13]。

同时考虑到模型的精确性和收敛性，单元尺寸采用50mm。损伤塑性模型中膨胀角取30°，偏心率取0.1，双轴与单轴受压时的初始屈服应力比取1.16，不变应力比取0.667，黏性参数取0.005。

1.2 本构关系选取

混凝土拉、压本构模型按GB 50010—2010(2015年版)《混凝土结构设计规范》[14]规定的公式确定，钢纤维混凝土拉、压本构模型按高丹盈[15-16]提出的拉、压应力应变公式确定。

1.3 模型可靠性验证

采用本文建立的模型进行有限元分析，将数值模拟结果与已有学者进行的试验结果进行对比分析，以验证有限元模型的可靠性。建模选取的柱编号为C-Q1[4]，C-Q2[4]，WF-4-3-0.6[17]，WF-4-5-0.4[17]，HC11[18]，参数如表1所示。

表1 已有研究试件参数

将有限元模拟计算得到的骨架曲线与试验骨架曲线进行对比，如图1所示，各试件位移与荷载特征值如表2所示。

图1 已有研究试件骨架曲线对比

由图1和表2可知，数值模拟结果与试验结果吻合较好，误差<10%，表明本文建立的有限元模型可靠，可较好地还原试验。

表2 已有研究试件位移与荷载特征值

2 SFRC/RC组合柱与RC柱设计

基于《混凝土结构设计规范》对于柱的一般设计要求，建立5个SFRC/RC组合矩形柱试件和1个RC矩形柱试件，其中SFRC使用范围如图2所示，试件尺寸及配筋如图3所示。柱纵筋及箍筋均采用HRB400钢筋，混凝土强度等级为C40，钢纤维混凝土强度等级为CF40，不同工况下试件参数设计如表3所示，试验轴压比与设计轴压比换算关系为[19]：

表3 本研究试件参数

图2 SFRC使用范围示意

(1)

式中：nd为设计轴压比；nt为试验轴压比；δc为混凝土强度变异系数，取0.144。

3 加载方案及连接界面处理

在柱顶施加水平荷载，采用力与位移混合加载方式对柱进行循环加载，同时在柱端施加不同轴力，以控制柱的轴压比。当柱未屈服时采用力进行加载，每次循环荷载增加5kN，当柱进入屈服状态后，对柱进行位移加载，加载制度如图4所示。

图4 加载制度

钢纤维混凝土与混凝土的连接界面处理采用绑定约束，有助于消除刚体位移，并减少计算接触状态所需的迭代次数[20]。

4 结果分析

4.1 滞回性能

通过有限元软件ABAQUS分析得到试件破坏形态，其中RC柱与SFRC/RC-1组合柱受拉损伤云图如图5所示，数值越大的部位表示损伤越严重。由图5可知，在循环荷载作用下，柱的破坏首先发生在柱与基础梁交界处，在此位置出现弯曲破坏；然后损伤逐渐向柱身发展，基础梁将逐渐出现剪切破坏。SFRC/RC-1组合柱损伤程度远低于RC柱，说明利用SFRC在柱底代替普通混凝土可明显提高柱抗震性能。

图5 试件损伤云图

对于循环荷载作用下的RC柱与SFRC/RC组合柱，可通过滞回曲线反映延性、耗能能力及刚度退化能力。计算得到各柱滞回曲线如图6所示，由图6可知，各柱滞回曲线表现为对称形态，相比RC柱，SFRC/RC-1组合柱滞回曲线更饱满，表明在循环荷载作用下SFRC/RC-1组合柱较RC柱耗能能力强，即在柱底薄弱处采用SFRC代替普通混凝土能够显著提高柱耗能能力；当轴压比相同时，SFRC/RC组合柱滞回曲线饱满程度与配箍率呈正相关关系；当配箍率相同时，随着轴压比的增大，SFRC/RC组合柱滞回曲线出现“捏缩”现象，表明SFRC/RC组合柱耗能能力有所下降。

图6 各柱滞回曲线

4.2 承载力与延性

通过连接各柱滞回曲线峰值荷载点，得到骨架曲线，如图7所示。由骨架曲线计算得到各柱位移与荷载特征值，如表4所示。其中各柱屈服荷载和极限荷载分别为峰值荷载的0.75，0.85倍，各柱延性通过位移延性系数μ进行评价[21]：

图7 各柱骨架曲线

(2)

式中：Δu为试件极限位移；Δy为试件屈服位移。

由图7和表4可知，SFRC/RC-1柱峰值荷载是RC柱的1.19倍，提高了18.9%；SFRC/RC-1柱位移延性系数是RC柱的1.39倍，提高了39%；达峰值荷载后，RC柱承载力较SFRC/RC-1柱承载力下降速率快，表明在轴压比和配箍率相同的条件下，在柱底薄弱处局部采用SFRC代替普通混凝土可明显提高柱承载力和延性；当SFRC/RC组合柱轴压比相同，配箍率为0.47%～0.87%时，随着配箍率的提高，柱峰值荷载和位移延性系数相应提高，但当配箍率提高36%时，SFRC/RC组合柱峰值荷载和位移延性系数分别提高4.5%，2.5%，表明增大配箍率虽可提高SFRC/RC组合柱峰值荷载和位移延性系数，但提高幅度较小；当SFRC/RC组合柱配箍率相同，轴压比为0.35～0.75时，随着轴压比的减小，柱位移延性系数相应提高，但峰值荷载基本保持不变，当轴压比下降32%时，SFRC/RC组合柱位移延性系数提高23.11%；达峰值荷载后，随着轴压比的增大，SFRC/RC组合柱骨架曲线下降段的下降速度越来越快，表明增大轴压比会大幅度减弱柱延性。

表4 本研究各柱位移与荷载特征值

4.3 耗能

在实际工程中，等效黏滞阻尼系数ξeq通常被用于判断结构耗能能力，并据此评价结构抗震性能。等效黏性阻尼系数越大，耗能能力越强[22]。计算得到不同位移幅值下各柱等效黏滞阻尼系数如表5所示，其与位移的关系曲线如图8所示。

表5 不同位移幅值下柱等效黏滞阻尼系数

图8 等效黏滞阻尼系数与位移关系曲线

由表5和图8可知，在循环荷载作用下，各柱等效黏滞阻尼系数均随着水平方向位移的增大而增大，但幅值越来越小，其中SFRC/RC-1柱等效黏滞阻尼系数较RC柱小，当水平方向位移达45mm时，SFRC/RC-1柱等效黏滞阻尼系数为RC柱的1.16倍，提高了16.2%，表明SFRC/RC-1柱抗震性能优于RC柱；当轴压比和水平方向位移相同时，SFRC/RC组合柱等效黏滞阻尼系数随着配箍率的减小而减小，当水平方向位移达45mm时，SFRC/RC-1柱等效黏滞阻尼系数分别较SFRC/RC-2，SFRC/RC-3柱提高了4.76%，6.99%；当配箍率和水平方向位移相同时，SFRC/RC组合柱等效黏滞阻尼系数随着轴压比的增大而减小，当水平方向位移达45mm时，SFRC/RC-2柱等效黏滞阻尼系数分别较SFRC/RC-4，SFRC/RC-5柱提高了8.04%，15.46%，表明在一定范围内增大配箍率、减小轴压比可提高柱耗能能力，其中轴压比的影响较大。

5 结语

1)在相同配箍率和轴压比下，SFRC/RC组合柱位移延性系数较RC柱提高了39%，等效黏滞阻尼系数提高了16.2%，说明在柱底采用SFRC代替普通混凝土能够明显提高RC柱抗震性能。

2)对于SFRC/RC组合柱，当轴压比相同，配箍率为0.47%～0.87%时，随着配箍率的增大，柱峰值荷载、位移延性系数和等效黏滞阻尼系数均有所提高，当配箍率提高36%时，柱峰值荷载、位移延性系数和等效黏滞阻尼系数分别提高了4.5%，2.5%，3.5%。

3)对于SFRC/RC组合柱，当配箍率相同，轴压比为0.35～0.75时，随着轴压比的减小，柱位移延性系数和等效黏滞阻尼系数均增大，当轴压比减小32%时，柱位移延性系数和等效黏滞阻尼系数分别提高了23.11%，6.33%。

4)轴压比对SFRC/RC组合柱抗震性能的影响大于配箍率，为提高SFRC/RC组合柱抗震性能，应优先考虑轴压比的影响。