高强箍筋约束混凝土柱峰值参数计算方法构建,建筑结构论文

高强箍筋约束混凝土柱峰值参数计算方法构建,建筑结构论文箍筋约束混凝土在轴心受压下的峰值参数反映了构件的承载和变形能力，对本构关系确定有着重要的作用。研究表示清楚在混凝土构件中配置一定数量的箍筋能有效地提高承载能力并改善变形能力。当前国内外对于普通箍筋约束混凝土构件研究已经有大量成果，但对于高强箍筋约束混凝土构件研究成果较少，大多数峰值参数计算方式方法考虑的变量较少，不能全面反映钢筋构造及构件尺寸对峰值参数的综合影响。Cusson和杨坤给出了考虑因素较为全面的峰值参数计算方式方法，但是箍筋应力取值存在一定缺陷，而且只对介入回归的试件进行了计算值和试验值的验证。本文选取Cusson的26个(235mm235mm1400mm)高强箍筋约束混凝土柱建立计算方式方法，并制作9个(250mm250mm850mm)高强箍筋约束混凝土柱对该计算方式方法进行补充验证。1建立峰值参数计算方式方法1.1建立回归公式1.1.1有效侧向约束应力在箍筋的侧向约束作用下，混凝土内将产生与箍筋约束平衡的侧向约束应力使混凝土处于多轴受压状态，进而在一定程度上提高混凝土轴心受压柱的承载力和延性。在配置有矩形箍筋的矩形截面中，基于箍筋约束力与混凝土侧向约束力平衡条件，混凝土侧向约束应力fl为：【1】式中：fhcc为约束混凝土峰值点对应的箍筋应力；s为箍筋间距；cx和cy分别为x、y方向最外围箍筋轴线间距离；Ashx和Ashy分别为x、y方向箍筋的横截面面积之和。由于约束混凝土内部拱作用，侧向约束应力fl只充分作用在约束混凝土核心面积一定范围内，见图1。Mander引入有效约束系数ke对侧向约束力进行修正，ke为核心混凝土有效约束面积与核心混凝土面积比，反映了配筋形式和截面尺寸对混凝土的约束效果。修正后得到的有效侧向约束应力fle见式(2)。【2-3】式中：wi为第i个相邻纵筋之间的横向净距；s?为箍筋净间距；s为纵筋核心配筋率。fle与fco(fco为未约束混凝土峰值应力)的比值具体表现出了箍筋对约束混凝土的约束效果，其值越大讲明箍筋对混凝土约束作用越明显。对于方形箍cx=cy=c、Ashx=Ashy=Ash，联立式(1)~(2)可得式(4)。【4】1.1.2箍筋应力根据文献[6]，对于方形箍、棱形箍、八角形箍和井字形箍，定义其Ash分别为2、3.41、3.61、4.67倍Asolo，Asolo为单肢箍面积。式(4)中，要得到有效侧向约束力fle，还需要知道约束混凝土到达峰值点时对应的箍筋应力fhcc。诸多学者是通过在各肢箍筋中点处贴应变片来获取箍筋应力。研究表示清楚，矩形箍应力沿周边分布不均匀，对角线方向约束力最大，箍筋各肢中部约束力最小。若以箍筋各肢中点处测得的应变作为箍筋应变计算fhcc，则可能导致结果不准确。且复合箍约束混凝土在峰值点时其内外箍筋应力发展程度不一致，简单取算数平均作为平均箍筋应力不能合理地反映箍筋对核心混凝土的约束情况。这就要求提出一种能合理估计在峰值荷载时箍筋应力的计算方式方法。约束混凝土到达峰值点时，方形箍截面箍筋应变可表示为：【5】式中：εhcc为约束混凝土峰值点对应的箍筋应变；εcc为约束混凝土峰值应变；fcc为约束混凝土峰值应力。式(5)中，对于26个轴心受压试件εhcc、fle未知，与式(4)联立，加上箍筋本构关系，可得到方形箍峰值点对应的箍筋应力，见式(6)。若fhcc大于委屈服从强度fyv，则取fhcc等于fyv。将fhcc代入式(4)能够得到有效侧向约束力fle。对于复合箍筋，由于内肢箍与外肢箍在峰值点应力发展程度不一致，采用面积换算法将其等效为方形箍进行计算。以棱形箍为例讲明，棱形箍Ash=3.41Asolo，将其视为由外围箍Ash1=2Asolo和内部箍Ash2=(3.42-2)Asolo组成，如此图2；将Ash2乘以换算系数=0.5，为内部箍同外围箍的约束面积之比，此时换算后的Ash=Ash1+Ash2；使用换算后的Ash取代原Ash进行式(6)箍筋应力计算；同方形箍，若fhcc大于箍筋强度fyv，则取fhcc等于fyv。经计算得棱形箍、八角形箍、井字形箍的换算系数分别为0.5、0.7、0.3，得到的换算Ash分别为2.71、3.13、2.80倍Asolo。【6】【图2】1.1.3回归公式对26个约束混凝土峰值应力和峰值应变提高程度进行回归分析，自变量均取为fle/fco，如此图3~4。可得到式(7)~(8)函数表示出式，fco为未约束混凝土峰值应力，εco为未约束混凝土峰值应变，根据(混凝土构造设计规范〕(GB50010-2018)获得。在计算和验证经过中考虑到混凝土试件之间的尺寸效应，对标准圆柱体混凝土峰值应力取ACI建议值0.85折减系数；对标准立方体混凝土试件峰值应力取0.85折减系数，为标准圆柱体与标准立方体混凝土抗压强度比值，CEB-FPI给出标准立方体抗压强度在60MPa下面时=0.79。由回归公式可知：约束效果良好的构件(fle/fco3%)，箍筋能有效提高其峰值应力、峰值应变，提高程度均大于10%；约束效果一般的构件(1.2%fle/fco3%)，箍筋对其峰值应力提高影响不大，但能够一定程度提高其峰值应变；约束效果较差的构件(fle/fco1.2%)，箍筋对其峰值应力、峰值应变的提高程度不明显，均小于10%。【图3-4】1.2通过回归公式计算峰值参数在式(7)~(8)中，要计算峰值参数fcc与εcc，需要知道约束混凝土有效侧向约束力fle，但是在求解fle与fhcc的联立方程式(4)~(5)中包括未知量fcc与εcc，无法进行。所以本文通过迭代方式方法来计算峰值参数fcc与εcc。对于复合箍筋取换算面积Ash进行计算，迭代步骤如下：①假设在峰值点箍筋到达委屈服从强度，即取fhcc=fyv；②利用式(4)计算fle；③利用式(7)~(8)分别计算fcc、εcc；④将步骤③得到的fcc、εcc代入式(6)，计算得到新的箍筋应力fhcc；⑤重复②~④，直到fhcc收敛或fhccfyv，结束迭代；⑥将收敛的fhcc或者fyv代入式(4)计算fle，最终通过式(7)~(8)计算fcc、εcc。2试验验证2.1试件设计为了对上述方式方法进行验证，设计并制作了约束混凝土柱共3组，每组3个试件。试件截面尺寸为250mm250mm，高度为850mm，配置6根直径均为12mm的纵筋。箍筋形式为矩形箍，直径均为5mm。保卫层厚度c=25mm。详细设计参数及部分试验计算结果见表1。2.2计算值和试验值比照分别用此方式方法对文献[6]的26个约束混凝土柱和本文的9个约束混凝土柱的峰值参数进行计算，得到峰值参数提高程度的计算值。再将计算值与试验值进行比照，如此图5~图6。由图可知：约束混凝土柱的峰值应力、峰值应变计算值与试验值均符合程度较好。华而不实9个约束混凝土试件均为方形箍，约束作用小而且范围窄，故在图中计算值间隔严密，试验值呈现出一定离散性。【5-6】【表1】3计算方式方法在高强箍筋中的应用基于上述轴心受压构件承载力与延性分析方式方法，定量分析在其他条件不变的情况下采用高强箍筋代替普通箍筋对约束混凝土峰值参数的影响。在知足(混凝土构造设计规范〕(GB50010-2018)要求前提下设计截面尺寸为500mm500mm，截面形式分别为方形箍、棱形箍、八角形箍和井字形箍等4种形式箍筋约束柱，如此图7所示。每种截面形式考虑箍筋间距(60mm、80mm、100mm)、箍筋强度(400MPa、500MPa、700MPa)等参数，各设计9个试件，共36个试件。分别按上述方式方法计算各约束柱的峰值参数，计算结果见表2。由结果可知：1、不同截面形式中箍筋间距为60mm的柱在峰值点时箍筋全部委屈服从。华而不实箍筋强度为500MPa的柱峰值应力和峰值应变较箍筋强度为400MPa的柱分别提高了5.02%~7.33%和25.69%~32.70%，箍筋强度为700MPa的柱峰值应力和峰值应变较箍筋强度为400MPa的柱分别提高了15.32%~22.37%和87.24%~111.05%，华而不实复合箍峰值参数提高程度均大于方形箍；2、箍筋间距为80mm的试件在峰值点时复合箍箍筋委屈服从，方形箍箍筋未委屈服从。故复合箍箍筋强度得到充分发挥，提高箍筋强度对其峰值参数影响较大。但对于方形箍在峰值点箍筋未委屈服从，提高箍筋强度对其峰值参数影响不大；3、箍筋间距为100mm试件在峰值点箍筋均未委屈服从，提高箍筋强度对其峰值参数影响不大。由此可得结论：当箍筋对核心混凝土约束效果很好(fle/fco6%)，即箍筋应力能充分发挥时，将箍筋强度从400MPa提高至500MPa甚至700MPa能有效地提高约束混凝土柱的峰值参数。且约束效果越好峰值参数提高程度越明显。在本文中，配有间距为60mm八角形箍的柱使用700MPa箍筋替代400MPa箍筋后，其峰值应力提高22.37%，峰值应变提高111.05%，在提高其承载力同时大大改善了其延性。但当箍筋间距过大(本文中箍筋间距超过100mm时)，即箍筋对核心混凝土约束效果较差时，提高箍筋强度对峰值参数的提高基本无奉献。【图7.表2】4结论(1)考虑各种基本因素对约束混凝土柱的影响，在采用面积换算法计算箍筋应力的基础上建立了约束混凝土峰值参数的计算方式方法，计算结果与试验结果较吻合。(2)fle与fco的比值综合具体表现出了箍筋对约束混凝土柱的约束效果。约束效果良好的构件(fle/fco3%)，箍筋能有效地提高其峰值应力、峰值应变，提高程度均大于10%；约束效果一般的构件(1.2%fle/fco3%)，箍筋对其峰值应力提高影响不大，但能够一定程度提高其峰值应变；约束效果较差的构件(fle/fco1.2%)，箍筋对其峰值应力、峰值应变的提高程度不明显，均小于10%。(3)基于本文峰值参数计算方式方法，计算得出当箍筋对核心混凝土约束效果很好时(fle/fco6%)，将箍筋强度从400MPa提高至500MPa甚至700MPa，能有效提高约束混凝土柱的峰值参数。且约束效果越好峰值参数提高程度越明显；对于fle/fco6%的构件，在箍筋强度为400MPa时提高箍筋强度对约束混凝土柱峰值