成型钢筋混凝土T形梁抗震性能非线性有限元分析*

李杨辉,薛伟辰,夏 康,李 亚,2

(1.同济大学建筑工程系,上海 200092; 2.上海师范大学建筑工程学院,上海 201418)

0 引言

成型钢筋是一种采用机械加工、自动成型的钢筋制品,具备信息化管理系统、专业化加工机构和自动化加工设备三要素,可提高钢筋的施工效率和质量[1],减少混凝土构件的生产成本和环境污染[2]。成型钢筋起源于20世纪初的英国,经过一个多世纪的发展,英美等发达国家已掌握了成熟的钢筋成型技术[3-4]。我国从20世纪末开始从国外引进成型钢筋生产线,对成型钢筋生产技术进行了系列研究[5-7],促进了成型钢筋生产技术的提高和工程应用[8],但目前生产水平和英美等发达国家相比仍有差距。住房和城乡建设部印发的《建筑业10项新技术(2017年版)》包括建筑用成型钢筋制品加工与配送技术,进一步促进了成型钢筋的推广应用。

钢筋焊接网和成型钢筋骨架[9]是2种常见的成型钢筋。钢筋焊接网是指纵向钢筋和横向钢筋按一定间距排列、交叉点焊接在一起的钢筋网片,具有间距均匀准确、焊接点强度高的特点,适用于楼板等结构。成型钢筋骨架包括绕箍成型钢筋、穿箍成型钢筋,如图1所示,适用于梁、柱等构件。

图1 成型钢筋

钢筋混凝土T形梁是建筑工程和桥梁工程中常用的构件形式,具有良好的受力性能[10-11]和综合经济效益[12]。根据浇筑方式的不同,钢筋混凝土T形梁分为钢筋混凝土T形叠合梁和钢筋混凝土T形现浇梁。传统的钢筋混凝土T形梁通常采用手工绑扎钢筋,薛伟辰等[13]对手工绑扎钢筋混凝土T形叠合梁及其现浇梁的抗震性能进行了试验研究,研究表明,叠合梁和现浇梁的抗弯承载力相差在10%以内,位移延性系数均>4.8。在钢筋混凝土T形梁钢筋的绑扎过程中,翼缘钢筋存在漏绑、跳绑和被踩踏风险,腹板钢筋骨架易变形,纵筋和箍筋位置窜动。手工绑扎钢筋依赖钢筋技术工人对钢筋进行裁剪、弯折和绑扎,施工精度低、效率低、绑扎质量不易保证。成型钢筋混凝土T形梁的翼缘采用钢筋焊接网、腹板采用成型钢筋骨架,提高了钢筋绑扎效率和质量,与手工绑扎钢筋相比,生产成型钢筋混凝土T形梁所需工时和费用均可减少50%以上[2]。

成型钢筋混凝土T形叠合梁兼有成型钢筋和T形叠合梁的优点,是一种工业化程度较高、受力性能良好的预制构件,具有广阔的应用前景。但目前对成型钢筋混凝土T形叠合梁的抗震性能研究几乎没有,本课题组完成的成型钢筋混凝土矩形现浇梁的低周反复荷载试验[14]表明,分别配置绕箍成型钢筋、穿箍成型钢筋现浇梁和手工绑扎钢筋现浇梁的抗弯承载力相差在10%以内,位移延性系数均>4.0,成型钢筋矩形现浇梁具有良好的抗震性能。

在标准方面,GB/T 1 499.3—2022《钢筋混凝土用钢 第3部分:钢筋焊接网》[15]、GB/T 29733—2013《混凝土结构用成型钢筋制品》[16]、JGJ 114—2014《钢筋焊接网混凝土结构技术规程》[17]、JGJ 366—2015《混凝土结构成型钢筋应用技术规程》[18]等对成型钢筋的加工制备和配送验收等给出了明确规定,但对成型钢筋混凝土构件受力性能和结构设计的规定较缺乏。

综上可见,成型钢筋具有生产效率高、质量稳定、经济性好等特点,成型钢筋混凝土梁具有广阔的应用前景。但目前对成型钢筋混凝土梁抗震性能的研究仅限于数量不多的成型钢筋混凝土矩形现浇梁,对成型钢筋混凝土T形现浇梁及其叠合梁的抗震性能研究几乎没有,有待进一步展开。

本文基于有限元软件ABAQUS建立了成型钢筋混凝土T形梁的非线性有限元模型,基于笔者所做成型钢筋混凝土T形梁低周反复荷载试验对模型进行验证。在此基础上,进一步研究了钢筋成型工艺(手工绑扎、绕箍成型、穿箍成型)、混凝土浇筑方式(现浇、叠合)、混凝土强度(C30,C40,C50)、纵筋配筋率(0.4%,0.6%,0.8%,1.2%)、配箍率(0.2%,0.4%,0.6%)对钢筋混凝土T形梁抗震性能的影响规律。

1 有限元建模

采用ABAQUS软件进行建模,混凝土本构关系采用塑性-损伤本构模型(CDP),以考虑低周反复荷载下混凝土的累积损伤,混凝土CDP模型参数如下:膨胀角30°,偏心率0.1,fbo/fco取1.16,K取0.667,黏性系数取0.005。钢筋本构关系采用考虑钢筋强化的双折线弹塑性模型。混凝土和钢筋本构关系按GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》(2015年版)[19]规定取值,混凝土强度和弹性模量、钢筋强度和弹性模量等参数均按试验实测值设置。

混凝土采用三维实体单元(C3D8R),形状为六面体。钢筋采用桁架单元(T3D2),不考虑剪切变形。由于成型钢筋骨架的箍筋和纵筋间采用焊接连接,整体性较好,故对成型钢筋骨架的箍筋和纵筋进行合并(merge),并采用内置(embedded region)将钢筋嵌入混凝土以考虑钢筋与混凝土间的黏结锚固。绕箍成型、穿箍成型钢筋均按实际构造和形状进行建模。预制混凝土与后浇混凝土交界面采用面-面(surface-to-surface)接触,接触为库仑摩擦型接触,切线方向的黏结滑移接触设为罚函数以传递切向应力,摩擦系数取0.5,法线方向设为硬接触以传递法向应力。模型梁端简支,在梁跨三分点处施加低周反复荷载,有限元模型与加载制度如图2所示。

图2 有限元模型和加载制度

2 试验概况

2.1 试验设计

成型钢筋混凝土T形梁低周反复荷载试验包括3根足尺混凝土梁:手工绑扎钢筋混凝土T形现浇梁(RCB)、绕箍成型钢筋混凝土T形叠合梁(PCB-1)、穿箍成型钢筋混凝土T形叠合梁(PCB-2)。梁长度均为4 500mm,净跨均为4 100mm,试件截面几何尺寸及配筋如图3所示。混凝土为C40,钢筋为HRB400,钢筋的材料性能如表1所示。

表1 钢筋实测力学性能指标

图3 试件截面与配筋

2.2 试验装置与加载制度

试验中梁两端简支,利用分配梁在梁跨三分点处对梁施加低周反复荷载,加载方法采用JGJ/T 101—2015《建筑抗震试验规程》[20]中规定的荷载-位移混合控制法,加载与加载制度如图4所示。规定向下加载(+P)为正向加载,向上加载(-P)为反向加载,顶部混凝土受压(拉)时所对应的截面弯矩为正(负)弯矩。

图4 加载示意与加载制度

3 有限元模型验证

3.1 破坏形态

试验试件和有限元模型破坏形态如图5所示,由图可知,有限元模型RCB破坏时底部混凝土损伤因子达到破坏限值,表明梁底部混凝土压溃;有限元模型PCB-1,PCB-2破坏时底部纵筋和箍筋达到极限拉应力,表明底部纵筋和箍筋拉断。对比结果表明,有限元模型和试验试件破坏形态吻合良好。

图5 试件破坏形态

3.2 荷载-位移曲线

通过有限元模拟得到的滞回曲线和试验的滞回曲线总体上较接近(见图6),有限元模型的滞回曲线“捏缩”较小,原因是有限元模拟中未考虑钢筋和混凝土间的黏结滑移及混凝土裂面效应的影响。试件RCB,PCB-1,PCB-2的有限元骨架曲线和试验骨架曲线相近(见图7),试验试件的初始刚度略大于有限元模型,原因是试验中梁的滑动支座存在摩擦,使得试验试件的水平约束作用大于有限元模型,试验试件的初始刚度较大。

图6 试件荷载-位移滞回曲线

图7 试件骨架曲线

3.3 承载力与位移延性

试验试件和有限元模型的承载力、位移延性如表2所示,由表可知,所有试件有限元模拟和试验的正向承载力相差在9.7%以内,反向承载力相差在9.2%以内;所有试件有限元模拟和试验的正向位移延性相差在6.0%以内,反向位移延性相差在9.6%以内。有限元模拟和试验的承载力、位移延性相差较小,均在10%以内,表明有限元模拟结果和试验结果吻合良好,验证了本文有限元模型的有效性。

表2 试件承载力和位移延性

4 参数分析

4.1 参数选取

绕箍成型钢筋的成型工艺和成型形状与手工绑扎钢筋均有较大差异,为突出成型钢筋的特点,建立20个绕箍成型钢筋混凝土T形梁有限元模型,进一步研究混凝土浇筑方式及强度、纵筋配筋率及配箍率对其抗震性能的影响规律:浇筑方式为现浇与叠合,混凝土强度等级分别为C30,C40,C50,纵筋配筋率分别为0.4%,0.6%,0.8%,1.2%,配箍率分别为0.2%,0.4%,0.6%。为便于比较,采用骨架曲线对其进行分析。

4.2 混凝土强度等级

由不同混凝土强度等级下梁骨架曲线(见图8)可知,无论是现浇梁还是叠合梁,混凝土强度等级对梁的骨架曲线影响很小。各梁的正向抗弯承载力几乎相同,原因是梁均为对称配筋,正向承载力可视为上下纵筋应力提供,混凝土的影响很小。反向承载力可认为是上下纵筋形成的弯矩和板内分布筋与混凝土形成的弯矩之和,混凝土强度等级提高减小了受压区高度,使得板内分布筋与混凝土形成的弯矩略有提高,使得反向承载力产生较小差别。不同混凝土强度等级的梁的位移延性差别很小,叠合梁的正、反向位移延性系数分别约在4.3和5.0。混凝土强度等级为C40的叠合梁的骨架曲线高于现浇梁的骨架曲线,且反向骨架曲线的差别大于正向骨架曲线,原因是叠合梁的板分布钢筋对承载力的贡献小于现浇梁,且在反向更显著。

图8 不同混凝土强度等级下梁骨架曲线

4.3 纵筋配筋率

由不同纵筋配筋率下梁骨架曲线(见图9)可知,纵筋配筋率对骨架曲线的影响较大。随着纵筋配筋率的提高,现浇梁和叠合梁的正、反向抗弯承载力均提高。随着纵筋配筋率提高,梁的位移延性有所降低。相比于纵筋配筋率为0.4%的绕箍成型钢筋叠合梁,纵筋配筋率为0.6%,0.8%,1.2%试件的正、反向抗弯承载力分别提高25%,53%,93%和18%,29%,48%,正向位移延性系数由4.3下降为4.2,4.1,4.0,反向位移延性系数由5.0下降为4.8,4.6,4.5。

图9 不同纵筋配筋率下梁骨架曲线

4.4 混凝土浇筑方式

为研究混凝土浇筑方式(现浇、叠合)对梁的承载力影响,选取对承载力影响较大的纵筋配筋率参数,不同纵筋配筋率下叠合梁和现浇梁的正、反向抗弯承载力如图10所示。由图可知,当纵筋配筋率由0.4%提高到1.2%,现浇梁的正向承载力由150.8kN提高到297.7kN,反向承载力由423.1kN提高到652.8kN;叠合梁的正向承载力由142.5kN提高到274.5kN,反向承载力由399.7kN提高到590.5kN。相对于现浇梁,叠合梁的承载力有略微减小,叠合梁的正、反向承载力分别比现浇梁的低6%和10%以内。

图10 叠合梁和现浇梁抗弯承载力

4.5 配箍率

由不同配箍率下梁骨架曲线(见图11)可知,配箍率对梁骨架曲线的影响很小。由于有限元分析中的梁均按“强剪弱弯”的原则进行设计,梁的破坏均为受弯破坏,过大的箍筋配置对梁的抗震性能影响较小。配箍率为0.6%的叠合梁的正、反向抗弯承载力略高于现浇梁。

图11 不同配箍率下梁骨架曲线

5 结语

1)基于有限元软件ABAQUS建立了成型钢筋混凝土T形梁的非线性有限元模型,建模中考虑了成型钢筋的构造。

2)低周反复荷载试验结果表明,绕箍成型、穿箍成型钢筋混凝土T形叠合梁和手工绑扎钢筋混凝土T形现浇梁的抗震性能相当,各试件的位移延性系数为4.4～5.2。有限元分析结果与试验结果吻合良好,验证了有限元模型的有效性。

3)建立了20个成型钢筋混凝土T形梁的有限元模型,研究了混凝土浇筑方式及强度、纵筋配筋率及配箍率对钢筋混凝土T形梁抗震性能的影响规律。结果表明:①绕箍成型钢筋混凝土T形叠合梁与现浇梁的骨架曲线较相近,叠合梁的正、反向抗弯承载力分别比现浇梁的低6%和10%以内。②纵筋配筋率对绕箍成型钢筋混凝土T形梁的骨架曲线影响较大。相比于纵筋配筋率为0.4%的绕箍成型钢筋叠合梁,纵筋配筋率为0.6%～1.2%试件的正、反向抗弯承载力分别提高了25%～93%,18%～48%, 正向位移延性系数由4.3下降为4.2～4.0,反向位移延性系数由5.0下降为4.8～4.5。③混凝土强度等级和配箍率对绕箍成型钢筋混凝土T形梁的抗弯承载力和位移延性系数影响在4%以内,影响较小。