箍筋约束作用对混凝土性能的影响

箍筋约束作用对混凝土性能的影响

0saatciaglu模型与其他约束混凝土模型的比较三轴承受压力的混凝土是可以提高混凝土的强度和变形能力的重要措施的。它是工程中一些减压材料和结构中一些混凝土的力学特性的重要措施。各国学者对于约束混凝土力学性能做了大量的研究,提出了一些模型,但大多基于各自的试验数据,局限于特定的配箍形式且涉及的参数较多,参数的确定较为复杂,不能满足实际工程计算分析的要求。Mander等、Saatcioglu等分别于1988年、1992年提出了能考虑各种箍筋形式的约束混凝土的本构模型;Saatcioglu等又在1999年对其模型做了改进使其能够用来分析高强约束混凝土的本构特性。Mander模型和Saatcioglu模型适用范围广、精度较高,得到了国内外学者的广泛认同。Mander模型涉及的参数较多,参数的确定涉及到一些箍筋配置的细节,较难在实际工程中应用。Saatcioglu模型较简单,但分析矩形箍筋约束混凝土时,参数k2的取值不好确定,影响了Saatcioglu模型的实用性。此外,这两个模型所依据的试验数据均是国外的试验结果,与我国的情况存在一定的差异。文中在Saatcioglu模型基础上做了一定改进,收集近年来的试验数据,重新拟合Saatcioglu模型参数k1的表达式,推导了k1与我国(《混凝土结构设计规范》(GB50010—2002)(简称混凝土规范),《建筑抗震设计规范》(GB50011—2001)等规范中配箍特征值λv之间的关系,使改进后的模型能更加方便地应用于我国钢筋混凝土结构的计算分析中。通过分析多组试验数据,提出了适用于圆形和矩形截面构件的约束混凝土峰值应力计算公式。1侧向约束压力效应系数工程中,通常采用如下表达式来预测均匀侧向约束混凝土轴心抗压强度:式中:fcc,fco分别为约束和未约束混凝土的峰值应力;fl为侧向压应力;k1为侧向压力效应系数。Saatcioglu模型给出k1=6.7fl-0.17,考虑了k1随着侧向压应力的变化,但没有考虑混凝土强度对k1的影响。对文,的试验数据统计分析后发现,同样大小的约束力对普通混凝土和高强混凝土产生的约束效果不同,故将k1取为fl/fco的函数。对于圆形截面构件,侧向约束可认为是均匀分布的,因此可以通过箍筋约束混凝土圆柱轴心受压试验数据来拟合k1的值,利用文,的试验数据,拟合k1与fl/fco之间的关系见图1。拟合公式如下所示:1.1截面为截面接枝的配筋性能对于圆形截面,可直接采用式(1),(2)来计算约束混凝土的峰值应力。为了与我国混凝土规范接轨,下面推导k1与配箍特征值λv之间的关系。圆截面横向箍筋的体积配筋率ρt=4Ast/dcors;侧向压应力fl=2fytAst/dcors。则:式中:fyt为箍筋屈服强度;Ast为配箍面积;dcor为圆柱截面箍筋约束部分直径;s为箍筋间距。将式(3)代入式(2)可得:k1=4.418λv-0.1,再代入式(1)可得:从以上推导可以看出,将k1取为fl/fco的函数的另一个好处是,能将峰值应力表示成配箍特征值λv的函数,较好地与我国混凝土规范接轨。1.2模型计算灵敏度分析对于圆形截面,环形箍筋或者螺旋箍筋能产生均匀的约束力,而对于矩形截面来说,约束力的分布复杂得多。Mander和Saatcioglu等人均提出复杂的模型来计算矩形截面约束混凝土峰值应力,这些表达式计算准确度较高,但涉及的参数较多,在实际计算中很不方便。文中通过对多组试验数据分析提出简单实用的计算公式,下面分别介绍Mander模型、Saatcioglu模型、本文模型如何计算矩形截面约束混凝土峰值应力。1.2.1对截面、长边第二受害者fle的约束应力模型(1)Mander模型Mander模型表达式如下:式中:fyh为箍筋屈服强度;ke=Ae/Acc,Acc=Ac(1-ρcc),Ac为箍筋中心线包围的面积,ρcc为纵筋配筋率,Ae为有效约束核心混凝土的面积,对于矩形柱截面有:其他参数取值详见文。(2)Saatcioglu模型Saatcioglu模型表达式如下:式中:对于圆形、正方形截面fle=k2fl,对封闭圆形箍k2=1.0,对正方形箍,s1为纵筋间距,s为箍筋间距,bc为截面箍筋约束部分边长;fl为平均约束应力,fl=(∑Ash)fs/bcs,∑Ash为横截面所有箍筋面积之和。fle为等效平均约束应力,对于一般矩形截面fle=(flexbcx+fleybcy)/(bcx+bcy),flex,fley分别为短边、长边的平均约束应力,bcx,bcy分别为截面短边、长边箍筋约束部分边长。(3)本文模型Mander模型、Saatcioglu模型参数的确定均涉及到一些箍筋配置细节,在分析大型复杂结构时,每一根梁柱都需要知道箍筋配置的细节,工作量太大。文中从工程实用角度出发,将Saatcioglu模型参数k2仅取为配箍特征值λv和截面尺寸的表达式,通过研究国内外多组试验数据,提出k2表达式如下:将式(8)代入式(7)中得:式中:b为截面长边长度,a为截面短边长度,且b/a≤5。对于一般矩形截面,文中依据的试验数据较少,存在较大的片面性,结论仅供参考。计算结果与试验结果进行比较,验证本文公式的准确性。1.2.2计算结果比较对于正方形截面,式(9)成为式(10),本文收集了约170个正方形截面柱轴心受压试验数据,试验数据与式(10)关系如图2所示。将本文表达式的计算结果与Saatcioglu模型计算结果以及文,试验结果比较,见表1。从表1中可以看出,与文试验数据相比,Saatcioglu模型计算结果符合很好,计算结果与试验结果相差均在10%以内;本文模型计算结果符合较好,但有少数数据相差10%以上。与文试验数据相比,Saatcioglu模型计算结果大多比试验结果小,而本文模型计算结果和试验值符合较好。(2)一般矩形截面一般矩形截面长边和短边的约束力不相等,约束力的分布比正方形截面更加复杂,试验数据较少,试验结果(试验构件截面长700mm,宽150mm)与本文模型计算结果以及Saatcioglu模型计算结果比较如表2所示。从表2可以看出本文模型和Saatcioglu模型计算结果均与试验结果符合较好。2混凝土极限应变圆形截面构件采用文提出的计算公式:正方形截面构件峰值应变和极限应变分别采用文,中的计算公式:对于一般矩形截面构件本文建议采用如下计算公式:式中:εcc为峰值应变(极限应力对应应变);ε85为极限应变(应力下降到极限应力85%时的应变);ε085为未约束混凝土极限应变;εco为未约束混凝土峰值应变;K=k1f1/fco=4.418λv-0.1×0.5λv=2.209λv0.9。3模型结果及试验结果将文中提出的峰值应力、选用的峰值应变、极限应变计算公式,用在Saatcioglu模型骨架曲线中,计算结果与Saatcioglu模型计算结果及试验结果如图3~6所示。Saatcioglu模型骨架曲线表达式如下:式中:k=k1fle/fc。从图3~6可以看出本文提出的峰值应力、峰值应变、极限应变计算公式能较为准确地模拟不同截面形式箍筋约束混凝土应力-应变曲线。Saatcioglu模型能较为准确地模拟圆截面柱和一般矩形截面柱约束混凝土应力-应变曲线,但对正方形截面柱其下降段过于平缓,与试验结果存在一定差异。4中水双接触面计算精度结果分析(1)文中提出的矩形截面约束混凝土峰值应力计算公式与试验数据符合较好,与Saatcioglu模型相比,更简单实用,且计算精度好。(2)将文中