CRB550級鋼筋約束混凝土柱抗震性能研究

呂洪峰

摘 要：CRB550級鋼筋在建筑行業(yè)有著重要的應(yīng)用效果，對于我國現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著重要的意義。本文基于對CRB550級鋼筋約束混凝土柱抗震性能的研究，對CRB550級鋼筋建造的不同鋼材、所采用的鋼筋壓軸比、縱筋配筋率及直徑等不同的鋼筋的指標(biāo)進(jìn)行對比分析，同時(shí)對鋼筋在低周反復(fù)水平荷載下的使用效果進(jìn)行有效的模擬靜力試驗(yàn)。在全部的試驗(yàn)過程中，一共安排了三種等級的試驗(yàn)強(qiáng)度：HRB335、HPB235和CRB550，針對這三種等級進(jìn)行混凝土柱的能量消耗能力分析及骨架曲線的對比，進(jìn)而得出CRB550級鋼筋的約束混凝土柱的抗震性能為最優(yōu)的，可以充分地滿足現(xiàn)代建筑行業(yè)的使用要求，同時(shí)也可以達(dá)到有效地節(jié)省建筑材料的使用。滿足當(dāng)代節(jié)能的要求，為實(shí)現(xiàn)國家的更好、更快發(fā)展作出更大的貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：CRB550級鋼筋；約束混凝土柱；抗震性能

中圖分類號：TU375.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）08-0136-02

CRB550級鋼筋作為當(dāng)今建筑行業(yè)中使用最為廣泛的材料，是在HPB235級鋼筋的基礎(chǔ)上進(jìn)行冷加工而得到的新型鋼筋，在性能和使用效果上有著較大的優(yōu)越度。一般而言，CRB550級鋼筋同HPR235級鋼筋在強(qiáng)度方面提升了極大的百分點(diǎn)，在進(jìn)行設(shè)計(jì)和構(gòu)造方面可以減少施工人員的施工壓力，為建造者節(jié)省約35%左右的鋼筋，為節(jié)約能源及環(huán)保事業(yè)作出了極大的貢獻(xiàn)，對于社會(huì)主義現(xiàn)代化的發(fā)展有著重要的意義。同時(shí)，由于CRB550級鋼筋一般以分布筋在剪刀墻中進(jìn)行使用，可以極大地提升該建筑物的抗震性能，為同級鋼筋在混熟混凝土柱抗震性能的研究中提供了相當(dāng)多的依據(jù)。

1 混凝土柱抗震性能研究中的性能指標(biāo)

1.1 混凝土柱抗震性能試驗(yàn)的初步設(shè)計(jì)

在試驗(yàn)之初，首先要確定合適的試驗(yàn)方案，為抗震性能研究奠定基礎(chǔ)。因而必須要選擇足夠數(shù)量的混凝土柱，根據(jù)不同的面積進(jìn)行分組，同時(shí)對其進(jìn)行低周反復(fù)水平荷載的檢測試驗(yàn)，研究不同強(qiáng)度、截面面積與間距的鋼筋指標(biāo)對于混凝土柱抗震性能的挺像，從而得到CRB550級鋼筋約束混凝土柱抗震性能的結(jié)果。同時(shí)，采用C30強(qiáng)度等級的混凝土，其軸壓比大致可以分為三種：0.9、0.8、0.7，鋼筋的直徑大約是17mm與21mm。為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，鋼筋的配筋率必須要維持在0.9%到3.0%之間。對于有限元參數(shù)應(yīng)當(dāng)以以下四個(gè)方面為主要的依據(jù)進(jìn)行選擇：單位選取、加載方式、網(wǎng)絡(luò)劃分、邊界條件，這對于最終試驗(yàn)結(jié)果的可靠性有著直接的影響。在該試驗(yàn)中使用的單位選取主要是Nonlioear Beam Column單元，通常以所控制截面的矩陣剛度與抗力為主要依據(jù)，使用國際上常用的Gauss-Lobatto積分方法，可以輕松地得到所需要的單位截面的相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)而得出所控制剛度變化的數(shù)據(jù)。另外，這個(gè)單位是在柔度法理論的基礎(chǔ)上建設(shè)的，所使用的函數(shù)為力插值函數(shù)，其主要原理是基于常用的單元控制方程的平衡條件：不管單元分布荷載進(jìn)行何種變化，假定一個(gè)內(nèi)力分布，桿件在任何狀態(tài)下都可以嚴(yán)格滿足。網(wǎng)絡(luò)劃分作為以纖維單元為主要工具的混凝土柱有限元分析指標(biāo)，纖維單位的劃分同試驗(yàn)結(jié)果的聯(lián)系十分密切，因而在進(jìn)行纖維劃分與截面中的纖維數(shù)目設(shè)置的過程中，必須要選擇合適的數(shù)量進(jìn)行試驗(yàn)。如果所使用的纖維過多的話，就會(huì)對網(wǎng)絡(luò)劃分的結(jié)果出現(xiàn)計(jì)算上的精度錯(cuò)誤；如果所使用纖維劃分的數(shù)目過多的話，即使可以對計(jì)算結(jié)果的精確度得到提升，但在某種程度上也會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)的計(jì)算成本得到增加，造成對資源的極大浪費(fèi)。以邊界條件為例，本次試驗(yàn)中只涉及到二維空間，因而可以依據(jù)使用的有限元模型的相關(guān)試驗(yàn)條件，將鋼筋混凝土柱的根部設(shè)置為固定端，在根部選擇1個(gè)合理的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度與2個(gè)可使用的平動(dòng)自由度，只要將這3個(gè)自由度進(jìn)行約束，就可以使根部的固接命令得到有效的實(shí)現(xiàn)。對于有限元模型所使用的加載方式往往是低周往復(fù)位移控制方式，同時(shí)在試驗(yàn)過程中也要根據(jù)試件軸壓比的差別，選擇合適的豎向荷載進(jìn)行試驗(yàn)，豎向荷載的所有加載步都是使用力控制，進(jìn)行水平力施加過程是以屈服位移值為基礎(chǔ)分級進(jìn)行的。在進(jìn)行加倍施加時(shí)，應(yīng)當(dāng)每三個(gè)循環(huán)過程之后，將控制的加載步進(jìn)行0.1mm的位移。

1.2 混凝土柱的控制準(zhǔn)則

混凝土柱在不同的狀態(tài)下，所使用的控制準(zhǔn)則也是有所區(qū)別的，因而所設(shè)計(jì)的抗震方法也要進(jìn)行區(qū)別設(shè)計(jì)，同時(shí)這個(gè)區(qū)別必須要得到嚴(yán)格的控制?；炷林诘卣疬^程中的考驗(yàn)指標(biāo)為承載力與變形極限，同時(shí)也可以將之叫做屈服狀態(tài)與極限狀態(tài)。在當(dāng)前的抗震規(guī)范中有準(zhǔn)確的三個(gè)要求來約束建筑物水準(zhǔn)，大致可以分為：大震不倒、中震可修、小震不壞，這三個(gè)要求是以混凝土柱的性能狀態(tài)和受力情況來進(jìn)行區(qū)分的?；炷林趯?shí)現(xiàn)屈服狀態(tài)前，其中的混凝土?xí)驗(yàn)槭艿嚼Χ霈F(xiàn)開裂，鋼筋也會(huì)一直處于彈力受拉的情況中，但在這個(gè)狀態(tài)中混凝土柱一直處于完好的狀態(tài)下，因而這個(gè)狀態(tài)下的鋼筋混凝土柱可以成為小震下的狀態(tài)；如果混凝土柱在使用過程中遭到嚴(yán)重破壞，其承載力會(huì)得到急速下降與彈塑性的變形能力達(dá)到極限，此時(shí)混凝土柱的狀態(tài)為大震下性能狀態(tài)；而中震時(shí)混凝土柱的性能狀態(tài)是處于大震和小震之間的狀態(tài)，因而此時(shí)可以將混凝土柱的水平力在峰值時(shí)的狀態(tài)看作中震下構(gòu)混凝土柱的變形，但是一般情況下，中震下混凝土柱水平力無法達(dá)到峰值狀態(tài)，因而可以選擇0.8為系數(shù)，也就是將水平承載力峰值的變形狀況的0.9倍和大震狀態(tài)下混凝土變形狀況的0.5倍作為中震下混凝土柱的塑壓變形范圍，也就是混凝土柱在中震條件下對應(yīng)的狀態(tài)。

1.3 選擇合適的混凝土柱變形指標(biāo)

在水平荷載作用下，鋼筋混凝土柱的變形度越大，其在使用過程中彈塑性的發(fā)展情況與受到的破壞程度會(huì)出現(xiàn)愈發(fā)嚴(yán)重的狀況，因而混凝土柱變形指標(biāo)應(yīng)當(dāng)采用與混凝土柱的變形狀況有關(guān)的一部分變量，從而更好地反映出混凝土柱在使用過程中的性能狀態(tài)。

2 混凝土柱抗震性能的研究

2.1 設(shè)計(jì)分析和對比混凝土柱骨架曲線

混凝土柱骨架曲線作為低周往復(fù)荷載條件下的滯回曲線峰值點(diǎn)所形成的連線，其在大多數(shù)情況下，同單調(diào)加載時(shí)的荷載-位移曲線處于十分相似的狀態(tài)。另外，大量的試驗(yàn)結(jié)果可以說明，在拉扯強(qiáng)度相同的條件下，CRB550級鋼筋混凝土基于其直徑較小的優(yōu)點(diǎn)，表現(xiàn)出的力學(xué)性能也會(huì)比普通的鋼筋混凝土柱更好。另外，在對于其余組強(qiáng)度與剛度在退化狀況的研究可以表明：這種結(jié)論有著極高的準(zhǔn)確性。在試驗(yàn)中，部分混凝土柱會(huì)因?yàn)榭v向鋼筋的拉扯斷力度過大而出現(xiàn)承載力大幅下降的情況，因而得到的骨架曲線在達(dá)到極限荷載之后會(huì)出現(xiàn)了極大的下降趨勢，呈現(xiàn)出的曲線處于比較陡峭的狀態(tài)。

2.2 混凝土抗震性能的研究結(jié)果

通過低周往復(fù)加載試驗(yàn)可以得出：伴隨著試驗(yàn)中所控制位移的不斷增大，混凝土柱的耗能系數(shù)會(huì)呈現(xiàn)出先增大、后減小的狀態(tài)；當(dāng)混凝土柱的耗能系數(shù)呈現(xiàn)在1.0到2.0的狀態(tài)之中時(shí)，混凝土柱會(huì)表現(xiàn)出良好的耗能性狀態(tài)；耗能系數(shù)會(huì)因?yàn)榛炷林那灰票憩F(xiàn)出的不同狀態(tài)而出現(xiàn)不同，最終的模擬出的曲線會(huì)表現(xiàn)出良好的吻合效果，因而CRB550級鋼筋約束混凝土柱的抗震性能是十分優(yōu)異的。通過以上的研究結(jié)果可以得出，對于不同強(qiáng)度等級的混凝土柱進(jìn)行剛度退化、承載力和耗能性能等抗震性能的測試之后，CRB550級鋼筋在使用時(shí)可以得到有效的使用建議：鋼筋的使用直徑應(yīng)當(dāng)?shù)玫竭m當(dāng)?shù)臏p小，但也必須要滿足國家規(guī)定的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。

3 結(jié)語

基于上述試驗(yàn)，可以對不同鋼材的混凝土柱的抗震性能得到有效的分析，以CRB550級鋼筋為主要材料約束混凝土柱的抗震性能是最好的，這主要是因?yàn)镃RB550級鋼筋的直徑與HPB235和HRB335級的鋼筋相比處于更小的狀態(tài)，同時(shí)在相同條件下，三種級別的鋼筋在耗能能力、剛度和承載力方面并不存在明顯的差異并且可以輕松地滿足相應(yīng)規(guī)范各項(xiàng)指標(biāo)的要求，表現(xiàn)出良好的抗震性能。因而使用CRB550級鋼筋可以極大地減少鋼筋的使用量，有效地實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源的目的，為國家發(fā)展作出更大的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]王震宇，吳波.林少書香港地區(qū)鋼筋混凝土框架柱的抗震性能試驗(yàn)研究[J].哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，（01）：6-11.

[2]田思銘.CRB550級鋼筋約束混凝土抗震性能研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2016，（21）：26-27.