T形柱正截面受力性能分析

王曉林

(太原學(xué)院基建處，山西 太原 030032)

0 T形柱正截面的力學(xué)特性

圖1 T形柱正截面

當(dāng)肢厚t=250mm時(shí)，分別變化它的腹板長(zhǎng)度(hx－t)和翼緣長(zhǎng)度hy，來(lái)分析兩個(gè)垂直方向的剛度變化情況。通過(guò)計(jì)算[1]8－13，T 形柱正截面力學(xué)性能列表如下:

T形柱正截面x方向有一個(gè)對(duì)稱(chēng)軸，其形心在截面內(nèi)，形心主軸與腹板邊緣平行，等慣性矩條件下的T形截面面積比矩形截面面積要小，可以推斷，T形截面比等面積矩形的剛度要大。因此，在符合抗震要求的前提下，優(yōu)先選用異性柱的截面形式，可以節(jié)約材料，室內(nèi)布局也整齊大方，有效利用了角部空間。兩個(gè)垂直方向的尺寸相差越大時(shí)，相對(duì)于兩個(gè)方向的剛度也相差較大，這樣不利于抗震。在采用異形柱結(jié)構(gòu)的實(shí)際工程中，應(yīng)特別注意這一點(diǎn)。

表1 T形柱正截面性能

1 體積配箍率對(duì)T形柱的影響[2]67－82

體積配箍率是用箍筋體積除以相應(yīng)箍筋的一個(gè)間距包圍的混凝土體積之后的比率來(lái)表示的。配箍率控制著混凝土構(gòu)件斜截面絕大部分受剪承載力。為了構(gòu)件不發(fā)生斜拉破壞和斜壓破壞，控制結(jié)構(gòu)構(gòu)件斜截面的破壞形態(tài)，必須得有適當(dāng)?shù)呐涔柯什判小?/p>

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷募虞d方式是柱頂位移加載，柱底的約束方式是懸臂固結(jié)。根據(jù)力的平衡，只要在柱頂加一個(gè)水平荷載即可，而這個(gè)荷載等于柱底剪力，然后將一個(gè)等截面的T形鋼梁放于柱頂，單元號(hào)為beam188，高300mm，這樣可以取得柱底剪力值，模型的網(wǎng)格劃分為200mm×200mm×200mm。施加荷載時(shí)有兩個(gè)荷載步，首先以面荷載的形式將軸向力加在整個(gè)表面，其次是在柱頂腹板底端中點(diǎn)施加水平位移，方向朝向坐標(biāo)系Z軸正向。本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪钦w式的，SOLID65，這里假定此單元是連續(xù)、均勻，并且是采用各向同性的鋼筋。整個(gè)單調(diào)荷載下非線性有限元計(jì)算過(guò)程，利用ANSYS軟件，依托有限元理論完成。

1.1 承載能力變化

通過(guò)改變箍筋間距使得體積配箍率發(fā)生變化，間距分別是200mm、150mm和100mm。

表2 荷載對(duì)比

當(dāng)箍筋間距變化后，三個(gè)變量:開(kāi)裂荷載變化不大。屈服荷載、極限荷載都發(fā)生了明顯的變化。當(dāng)箍筋間距減小后，開(kāi)裂荷載減小;屈服荷載降幅較大，極限荷載增大。體積配箍率增大后，使得試件提前屈服，但是延遲了試件的最終破壞時(shí)間，在發(fā)生地震時(shí)為人們爭(zhēng)取逃生的時(shí)間。

1.2 變形能力變化

當(dāng)體積配箍率增大后，極限位移增大，屈服位移減小，開(kāi)裂位移保持不變。顯然，箍筋的數(shù)量增多后，試件的延性改善很多。

表3 位移對(duì)比

2 軸壓比對(duì)T形柱的影響

將軸壓比分別為 0.3，0.5，0.7 的構(gòu)件分別命名為 Z0.3，Z0.5，Z0.7。

表4 荷載對(duì)比

表5 位移對(duì)比

表4說(shuō)明，當(dāng)軸壓比減小，極限荷載、屈服荷載、開(kāi)裂荷載都降低。表5說(shuō)明開(kāi)裂位移對(duì)軸壓比的變化反應(yīng)不大，屈服位移同軸壓比的變化一致，但是極限位移增大，延性大大改善，說(shuō)明隨著軸壓比的增加，T形柱的延性變差。

3 截面高厚比對(duì)T形柱的影響

異形柱截面的柱肢高與肢厚的比值(h:t)即為截面的高厚比，它可以用來(lái)區(qū)分異形柱、短肢剪力墻和一般剪力墻。本次實(shí)驗(yàn)中，全部試件均保持相同的相同的配筋率、相同的配箍率和相等的截面面積等，只有高厚比發(fā)生變化。依次是4.0、2.92、2.0，對(duì)應(yīng)名稱(chēng)是大柱、中柱、小柱。

圖2 異形柱截面尺寸

由于截面的慣性矩增大，抵抗變形的能力會(huì)增強(qiáng)。所以截面的高厚比減小時(shí)，開(kāi)裂荷載、屈服荷載、極限荷載保持同其相同的變化趨勢(shì)，高厚比是2.92的柱子截面延性最好。高厚比增大37.0%時(shí)，延性下降85.2%，衰減嚴(yán)重。所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)異性柱截面時(shí)，高厚比不宜過(guò)小，更不宜過(guò)大。

表6 荷載對(duì)比

表7 位移對(duì)比

4 結(jié)論及展望

4.1 主要結(jié)論

本文利用ANSYS軟件進(jìn)行了T形柱正截面的受力能力分析。綜上所述:

(1)對(duì)不同配箍率的T形柱的比較后，認(rèn)為增大箍筋間距導(dǎo)致延性下降。

(2)對(duì)不同高厚比的T形柱的比較后，認(rèn)為高厚比為2.92時(shí)的延性最好，高厚比不宜過(guò)大也不宜過(guò)小。

(3)軸壓比改變時(shí)，柱肢的性能會(huì)產(chǎn)生變化。軸壓比增大后，延性下降。

(4)三個(gè)實(shí)驗(yàn)中，裂縫發(fā)展規(guī)律基本是一致的。

4.2 有待以后研究的問(wèn)題

本文對(duì)不同配箍率，不同軸壓比，不同高厚比下的異形柱的性能進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬分析。如各項(xiàng)條件具備，最好是能完成實(shí)際試驗(yàn)的操作，這樣結(jié)論會(huì)更有說(shuō)服力。每一個(gè)領(lǐng)域都有無(wú)盡的科學(xué)需要我們?nèi)ヌ剿靼l(fā)現(xiàn)，關(guān)于異形柱有待進(jìn)一步研究的課題還有很多，我認(rèn)為急需研究的有:1、不同截面形式異形柱受力試驗(yàn)研究。如L形、十字形。2、不同材料異形柱抗震性能試驗(yàn)研究。如型鋼混凝土異形柱。3、不同荷載作用下異形柱的受力性能。4、不同抗震等級(jí)下鋼筋混凝土異形柱軸壓比限值研究。5、高溫下鋼筋混凝土異形柱的截面特性等等。

[1]易金舫.形柱抗震受力分析及設(shè)計(jì)建議[D].西南交通大學(xué)，2007.

[2]王曉林.鋼筋混凝土異形柱結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件受力性能分析[D].太原理工大學(xué)，2011.