基于ABAQUS有限元分析的钢筋混凝土柱扭转性能研究

瞿 帅（深圳千里马装饰集团有限公司，广东 深圳 518000）

随着我国高楼大厦、大跨度建筑物的不断发展，钢筋混凝土（SRC）柱结构因其优异的整体抗震性能而被广泛采用。与此同时，由于建筑物形式及功能需求的不断变化，使得建筑物中存在着大量的复杂、不规则的构造。尤其是非规则构件，在地震作用下，往往会受到压、弯、剪、扭等多因素的共同作用[1,2]。在钢筋混凝土产生扭应力的情况下，RC 柱子的承载力比常规的压、弯、剪荷载下RC柱子要低[3]。

杨志勇[4]曾对23个配有不同配筋的矩形、T型钢筋混凝土构件进行了抗扭试验。研究发现，随着钢骨比的增大，RC柱的延性及抗扭承载力都得到了明显的改善。关于斜交角钢混凝土柱的裂缝力矩及极限力矩，吴绍炜[5]给出了相应的计算公式。此外，已有学者对RC 柱的受力性能进行了研究，并对RC 柱的抗震性能进行了分析[6]，在此基础上，建立了弯扭耦合作用下的简化计算公式。孙美娟[7]利用ABAQUS软件，对钢矩形箱梁受弯、扭转共同作用下的极限承载力进行了研究。虽然已有许多学者对其进行了大量的研究，但是对于其在扭转作用下的受力特性却鲜有研究。

同时，考虑到与实验研究相关的高成本和长时间，数值模拟是一种可取的方法[8,9]。因此，本文通过数值模拟全面研究轴压比、扭弯比、混凝土强度、纵向配筋率对钢筋混凝土柱的组合扭转行为的影响。

1 数值模拟模型的构建

利用ABAQUS程序，进一步计算RC构件的扭转性能，在已有的关于RC 构件的试验基础上，建立了ABAQUS 有限元计算模型，并提出了基于C3D8R 的柱子、钢梁等构件的计算方法。本文提出了一种基于等向弹性破坏、等向拉、压力、等向弹性破坏的本构方程。假定在受压损伤后，钢筋混凝土再发生软化，因此设定钢筋混凝土柱用网宽40mm，钢筋混凝土梁用网宽30mm。在节点中心处，网格得到进一步加密。试验结果表明，该模型的试验结果与试验结果基本一致；仿真结果表明，各部位的尺度均与试验结果相符。同时，也将钢筋及混凝土三者间的滑移量进行了计算。图1 显示钢筋混凝土柱模型。

图1 钢筋混凝土柱模型

2 试验结果与分析

为全面了解钢筋混凝土柱在扭转下的性能，在数值模拟中总共考虑了4个设计参数：轴载比、弯扭比、混凝土强度、纵向配筋率。将每个设计参数设置为五个不同值。

2.1 轴向载荷比的影响

在有限元分析中，将轴向载荷比设为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5。在此基础上，采用了数值仿真方法，得到了不同轴向载荷比的扭力变化规律。由图2可知，在弹性状态下，轴向载荷比对钢筋混凝土的初始抗扭刚度影响较少。在弹性和塑性区，增大轴力比值可以降低构件的刚度，增大构件的极限弯矩，这主要由于钢筋混凝土在轴力作用下，构件的裂纹扩展受到了抑制。但当轴向荷载比大于0.4时，则出现了明显的减小现象。在破坏区域中，随着轴向荷载比值的增大，混凝土柱的承载力衰减速率加快，塑性降低，主要由于混凝土柱在轴向荷载下产生的二阶效应更为明显。而在轴向荷载比为0.1的情况下，其最大转矩为46.81kN/m。且可观察到，峰值扭矩随轴力比的增大而增大，最大峰值转矩为48.14kN/m。

图2 扭矩变化

2.2 扭转弯曲比的影响

扭转弯曲比设置成5 种不同的数值，即0.5、0.75、1.0、1.25、1.5。在进行数值仿真后，得到了如图3和表1所示的结果。在弹性状态下，扭-弯比对钢筋混凝土柱初扭刚度的影响很小。在弹性和塑性区，随着扭转率的增大，扭转力矩会呈增大趋势。在破坏区，扭转弯曲率越大，材料的强度下降越快，塑性越差。表1显示，在扭-弯比为0.5的情况下，最终扭矩达到51.18kN/m的最小值。结果表明，在扭-弯比增大时，其极限扭矩随扭-弯比增大而增大，最大值为57.90kN/m。在扭转-弯曲比为0.5的情况下，拉伸系数最大为4.18。延性系数随扭-弯比的增大而减小，当扭转弯曲比为1.5时，扭矩均达到最大。

表1 扭转-弯曲比对极限扭矩和延性系数的影响

图3 扭转弯曲比对钢筋混凝土柱性能的影响

2.3 混凝土强度的影响

本节将混凝土强度设为C25、C35、C45、C55、C65，在此基础上，采用有限元仿真方法，得出了在扭转作用下，混凝土强度对其性能的影响规律，如图4 所示。在弹性本构关系中混凝土的强度是影响其初始抗扭刚度的重要因素。随着混凝土强度的提高，其初始刚度也随之增大。在弹性模量下，增强混凝土的强度，会使极限扭力增大。在破坏区，混凝土的强度对于破坏区的承载力衰减速率影响是有限的。在C25 强度等级下，最大扭矩为33.57kN/m。试验结果表明，在C65 强度下，极限扭矩随混凝土强度的增大而增大，其最大值为51.11kN/m。

图4 混凝土强度对钢筋混凝土柱性能的影响

2.4 纵向配筋率的影响

对钢筋混凝土柱进行纵向配筋率设计，并研究5种不同纵向配筋，分别为1.00%、1.79%、2.79%、4.36%、7.15%。在此基础上，采用有限元分析方法，得出了在扭转荷载作用下纵向配筋比例对混凝土力学性能的影响规律，并将结果列于图5 和表2 中。在弹性状态下，纵向配筋比例对RC柱的初始抗扭刚度影响不大；在弹性和塑性区，只需增大纵向配筋比例，就可使弯矩增大；在破坏区，单纯提高纵筋比例，只是改善了混凝土的塑性。表2显示，极限扭矩最小值为57.30kN/m，最大值为61.38kN/m。进一步表明，混凝土的延性系数随纵向配筋率的变化而变化，其最大值为4.18，在纵筋比为1.00%时变化最小值为3.99。从图5 和表2 可以看出，仅仅增大纵筋率比例，对于提高RC柱的极限承载力和延性会有较小的作用。因此，在实际施工过程中，可以适当降低对纵向配筋率的要求。

表2 纵向配筋比对极限扭矩和延性系数的影响

图5 纵向配筋比对钢筋混凝土柱性能的影响

2.5 箍筋比的影响

在钢筋混凝土柱横断面上，采用了Φ8@200、Φ8@150、Φ8@100、Φ8@75、Φ8@50 五种形式。钢筋的箍筋比例为：0.17%、0.22%、0.34%、0.45%、0.67%，采用有限元仿真方法，分析了不同箍筋比例下的钢筋混凝土抗扭特性。在弹性模量下，箍筋比例对其抗扭性能的影响很小；在弹性和塑性区，增大箍筋比对结构承载力的影响不大；在失效区，增大箍筋比可使混凝土的抗弯性能略有改善。由表3可知，在箍筋比例为0.17%的情况下，最小的极限扭矩为59.84kN·m，在配筋比例为0.67%的情况下，最大的极限扭矩为62.20kN·m。另外，在钢筋箍筋比例为0.67%和0.17%时，钢筋箍筋比例分别为4.76和3.75。图6及表3显示，仅添加箍筋比例，对于改善结构之极限转矩与韧性之效果较好。

图6 纵向箍筋比对钢筋混凝土柱性能的影响

2.6 剪跨比的影响

通过改变柱高H，以研究剪跨比（λ=M/Vh=H/h）对扭转下钢筋混凝土柱性能的影响。柱高度H设置为五个不同的值;即700mm、900mm、1100mm、1300mm 和1500mm。对应的剪跨比分别为2.33、3.00、3.67、4.33、5.00。在图7和表4中给出了利用有限元仿真来研究剪跨比对扭转特性的影响。在弹性本构模型中，剪跨比对其初始抗扭刚度的影响较大。随着剪跨比的减小，抗扭刚度增大；在弹性模态下，剪跨比增加能有效地减小钢筋混凝土柱的刚度劣化，并能有效地增加其承载力。在失效区，随着剪跨比的减小，结构的承载力退化速率增大，结构的延性降低。由表4 可知，在剪跨比为5.00 时，极限扭矩最小值为54.01kN·m，在剪跨比为2.33 时，极限力矩最大值为64.12kN·m。在剪跨比为5.00 和2.33 的情况下，钢筋混凝土的延性系数分别为6.20和4.09。图7及表4都显示了剪跨比对极限转矩及延性有很大的影响。

表4 剪跨比对极限力矩和延性系数的影响

图7 剪跨比对钢筋混凝土柱性能的影响

3 结语

（1）所研究的4 个设计参数，按对极限扭矩的影响程度从高到低排列，分别是混凝土强度、扭弯比、纵向配筋比和轴载比。混凝土强度、扭弯比和纵向配筋比对钢筋混凝土强度增加是有利的。当轴向载荷比低于0.4 时，增加轴向载荷比是有利的；当轴向载荷比高于0.4时，增加轴向载荷比是不利的。

（2）混凝土强度对结构件的初始抗扭刚度有很大影响。混凝土强度的增加对钢筋混凝土强度增加是有利的。而轴载比、弯扭比、纵向配筋率设计参数对结构件的初始抗扭刚度的影响较小。