區域約束箍筋形式對RCC梁正截面抗彎性能影響分析

丁嘉俊，曹新明

(貴州大學 土木工程學院，貴州 貴陽 550025)

區域約束箍筋形式對RCC梁正截面抗彎性能影響分析

丁嘉俊，曹新明*

(貴州大學 土木工程學院，貴州 貴陽 550025)

根據區域約束混凝土理論分析計算，對兩根不同約束形式的箍筋間距為50 mm的區域約束混凝土梁(RCC梁)進行了抗彎性能的試驗研究，并用ABAQUS有限元軟件對梁的抗彎性能進行了模擬分析。結果表明，采用“日”字形箍筋梁與小方箍梁對比可知，“日”字形箍筋梁的箍筋形式能提高混凝土的抗剪承載力，更好的控制了裂縫向受壓區延伸，因此采用“日”字形箍筋對區域約束混凝土梁的抗彎承載力以及延性均有大幅度的提高，能創造更好的經濟效益。

區域約束混凝土；箍筋；承載力；延性；abaqus

區域約束混凝土梁是按約束混凝土概念，對簡支梁作構造處理，在跨中混凝土受壓區設置箍筋，與縱向鋼筋一道，對該區域混凝土形成約束。區域約束混凝土即是通過約束鋼筋對部分壓區混凝土進行有效約束，在受拉鋼筋屈服后制約壓區混凝土的變形發展，可延長截面的失效過程，受壓區混凝土壓碎時對應的鋼筋應變也相應大幅度增加，即提高了受壓邊緣混凝土達到混凝土極限壓應變時的截面極限曲率，并不會明顯提高受拉鋼筋屈服時的截面屈服曲率，從而在提高梁極限承載力的同時也解決了受壓區混凝土的延性問題。

1 區域約束強度取值

區域約束混凝土[1]理論是對混凝土理論的繼承、補充和發展。由之前的研究可知[2]，區域約束混凝土柱具有較高的承載力和延性。若在梁中配置約束箍筋，梁的承載力和延性會的得到明顯的提高。梁是最常見的受彎構件，在彎矩作用下，梁截面上部受壓，下部受拉。在梁截面尺寸和混凝土強度不變的情況下，要提高構件的承載力，單在受拉區增加鋼筋會形成超筋梁，在破壞時受壓區混凝土先壓碎，為脆性破壞。若在受壓區配置相應的約束箍筋，根據區域約束混凝土理論，約束混凝土強度取值：

fcc=(1+k)fc

(1)

(2)

其中k為區域約束混凝土約束系數，由上式可知區域約束可以提高受壓區混凝土的強度，從而改變梁的受力性能。在之前對區域約束混凝土梁進行的試驗研究中[2]，結果表明：區域約束混凝土梁抗彎承載力計算值較普通混凝土梁可提高30%-48%，其延性較普通混凝土梁可提高75%。

根據研究需要，為了探究出區域約束混凝土梁在抗彎過程中最合適的箍筋形式，本文設計了兩種箍筋形式：RCCB1(regional confined concrete beam)中 配置了“日”字形區域約束箍筋和在RCCB2中配置了“口”字形區域的小方箍，后期運用abaqus有限元軟件對兩根梁進行模擬分析，從而對區域約束混凝土梁的理論和試驗研究結果進行詳細對比分析驗證，進而得出最合適的區域約束抗彎梁的箍筋形式。

2 構件設計

2.1 梁截面形式以及參數

本文共設計兩根區域約束混凝土受彎梁試件，配置了“日”字形區域約束箍筋的梁為RCCB1， 配置了小方箍梁為RCCB2 (區域約束箍筋間距均為50 mm)，區域約束抗彎段的箍筋長度均為1200mm，非抗彎段為普通箍筋，間距為100mm。梁的跨度為2500mm，凈跨2200mm, 截面尺寸為150mm×300mm, 混凝土強度等級為C40。具體截面形式如下圖1、圖2所示。

1-1截面 2-2截面

圖1 RCCB1截面配筋圖

1-1截面 2-2截面

圖1 RCCB2截面配筋圖

2.2 正截面承載力計算

根據曹新明教授團隊所編寫的區域約束混凝土結構技術規程，對RCCB1和RCCB2進行正截面抗彎承載力計算。計算步驟如下：

1) 先按照構造要求確定參數，包括約束區尺寸(寬度、高度)、箍筋形式、箍筋強度、縱筋分布、縱筋強度等并計算相應的約束系數k；

2) 取約束區域高度Xcc≤0.45(理論上約束區域高度可以不受限制，但過大的約束區域高度會導致受拉鋼筋配筋量過大且承載力提高幅度下降，經濟性降低，因此規定約束區域高度Xcc≤0.45)，本文構件約束區域高度即為小方箍高度0.096m；

3) 由fcc=(1+k)fc式確定fcc；

4)確定受拉鋼筋配筋量；

=0.64

=153.78KN·m

=384.45ΚΝ

由此可知，除了箍筋形式不同之外，兩根梁的正截面抗彎承載力理論計算值是相同的，試驗構件設計參數如下表1所示。

表1 試驗構件設計參數

3 試驗方案

3.1 加載方案

試驗為結構破壞試驗，在靜力臺座上進行。由作用力控制試驗進程，本試驗采用兩點對稱加載施加兩個垂直荷載的方法(由油壓千斤頂進行加載，由一根型鋼分配梁分配至兩點對梁施加荷載)。兩加載點距跨中300mm，并在兩個支座處、兩加載點處以及跨中五處位置布置位移計記錄位移變化。加載程序為先預載，目的在于使試件各部接觸良好，進入正常工作狀態，保證荷載與變形關系趨于穩定，檢驗試驗裝置的可靠性以及儀表工作情況；之后再進行正式分級加載，當加載到標準荷載后，不卸載直接進入破壞階段試驗。

3.2 試驗結果分析

RCCB1試驗現象：加載至35kN時，跨中開始出現裂縫，此時跨中位移0.52mm；加載至100kN時，跨中出現大量裂縫，此時跨中位移2.62mm；加載至220kN時，斜裂縫增多，此時跨中位移6.58mm；加載至300kN時，跨中裂縫有延伸，裂縫變寬，此時跨中位移9.63mm；加載至417.8kN時，跨中出現較寬裂縫，上邊緣鼓起，加載點位置混凝土脫落，此時構件破壞(如圖3)，受拉區縱筋屈服。

圖3 RCCB1發生正截面受彎破壞

RCCB2試驗現象：加載至35.2kN時，跨中出現裂縫，此時跨中位移0.94kN；加載至121.2kN時，在分配梁支座處出現斜裂縫(如圖4)并且延伸下去45度方向，此時跨中位移5.17mm；加載至185kN時，撓度增加很快，裂縫開展很快，分配梁支

圖4 RCCB2首先產生斜裂縫

座下出現大量斜裂縫，此時跨中位移12.3mm；加載至207kN時，撓度非常大，梁斷裂，鋼筋未屈服，此時混凝土梁發生剪切破壞(如圖5)。試驗結果如下表2所示，荷載位移曲線圖如圖6所示。

圖5 RCCB2發生斜截面剪切破壞

圖6 荷載位移撓度曲線

由試驗結果可知，RCCB1梁在靜力破壞試驗中發生的是正截面受彎破壞，且正截面抗彎承載力實驗值要大于理論計算值。而RCCB2梁發生的是斜截面受剪破壞，且縱筋未發生屈服破壞。

分析原因可知，在RCCB1中“日”字形箍筋在混凝土的受拉區域能夠提高梁的抗剪承載力，為了保證梁發生正截面受彎破壞，因此梁的斜截面抗剪承載力要大于正截面抗彎承載力，因此RCCB1能發生正截面破壞，由于受壓區的混凝土在區域約束下得到了較好的約束，提高了受壓邊緣混凝土達到混凝土極限壓應變時的截面極限曲率，并不會明顯提高受拉鋼筋屈服時的截面屈服曲率，因此，梁的正截面承載力較理論計算值得到了提高。而RCCB2的受壓區混凝土能夠得到小方箍較好的約束，但是斜截面抗剪只靠混凝土承擔，在試驗過程中首先產生的是斜截面裂縫，因此斜截面抗剪承載力明顯不足， 隨著斜截面裂縫很快延伸至受壓區域，導致受壓區的區域約束作用顯著下降，致使梁的正截面承載能力未得到充分利用而發生了斜截面的剪切破壞。

表2 試驗結果

4 區域約束混凝土梁的有限元分析

4.1 abaqus有限元模型的建立

在有限元的模型當中增設一根普通鋼筋混凝土梁NCB3進行對比。在NCB3模型中除受彎段(1200mm范圍內)采用間距為200mm的普通箍筋以外，其余參數與試驗梁均相同。施加的靜力荷載為417.8KN(與RCCB1相同)觀察其在荷載作用下鋼筋的應力情況。

RCCB1、RCCB2和NCCB3有限元模型如下圖7-10所示。有限元模型按照計算試驗模型同比設計?；炷翉姸鹊燃墳镃40，縱筋和箍筋均采用HRB400級鋼筋。建立abaqus模型混凝土采用C3D8R單元，鋼筋采用T3D2單元，將鋼筋埋入(embedded)混凝土單元中來模擬鋼筋混凝土之間的粘結關系。為防止加載過程中梁上加載面及支座處出現應力集中，因此建模時在梁加載處和支座處設置鋼墊片，以增加接觸面積和剛度。

圖7 RCCB1鋼筋籠模型

圖8 RCCB2鋼筋籠模型

圖9 NCB3鋼筋籠模型

圖10 混凝土梁模型

4.2 abaqus計算結果分析

應力云圖是試件受力過程中各個部位應力情況最直觀的表現，可以一目了然的了解各部位的工作情況。RCCB1、RCCB2和NCB3的鋼筋籠應力云紋圖如下圖11-13所示。

圖11 RCCB1鋼筋應力云紋圖

圖12 RCCB2鋼筋應力云紋圖

圖13 NCB3鋼筋應力云紋圖

觀察用abaqus模擬的NCB3的鋼筋應力云圖可以得出， 在418kN靜力荷載作用下，應力最大的地方出現在兩端支座內側，此時拉應力為255MPa，縱筋并未屈服，此時普通梁的跨中豎向位移為2.4mm；但在觀察普通梁的塑性損傷受拉破壞模型(DAMAGET)中可以發現(如圖14)，受拉區的混凝土損傷因子為0.86，說明普通梁的受拉區混凝土已經出現大量裂縫，而支座方向上的受壓區混凝土的受拉因子為0.58，說明混凝土已經開始出現破壞，因此普通梁在荷載的作用下，豎向位移很小，受拉區縱筋未屈服，梁因為混凝土的破壞而失效，因此這種破壞形式為超筋破壞，屬于脆性破壞。

圖14 NCB3 DAMAGET圖

5 結論

1.由試驗結果可以得出，對于RCCB1所采用的“日”字形區域約束箍筋，其正截面抗彎承載力較理論計算值相比提高了8.7%，并且RCC梁在發生正截面受彎破壞時，具有較好的延性；而RCCB2所采用的小方箍因為受拉區混凝土未能得到箍筋的約束，抗剪承載力全由混凝土承擔，可以看到斜截面承載力明顯不足，從而發生了斜截面破壞，區域約束效果未能得到充分利用；因此“日”字形箍筋與小方箍相比較，能明顯提高梁的正截面抗彎性能；

2.abaqus模擬的普通梁模型NCB3在與RCCB1在豎向荷載相同的情況下，NCB3發生的是超筋梁的脆性破壞，而RCCB1發生的是延性破壞，說明區域約束混凝土梁能避免發生超筋破壞，RCC梁的延性較NCB相比得到顯著提高；

3.運用abaqus對兩根梁的鋼筋骨架進行了有限元分析可知，模擬分析結果和試驗結果相近，進一步驗證區域約束混凝土梁的正截面抗彎性能具有較高的參考價值；

4.對于“日”字形區域約束箍筋形式對梁的性能影響可以利用abaqus軟件做進一步研究，本文中“日”字形箍筋所取得間距50mm，下一步研究可將箍筋間距作為變量進行探究；

5. 由于力學性能的改善及抗震性能的提高，使得構件承載力提高，在同等荷載效應及可靠度情況下，利用區域約束混凝上可以大幅度減小構件截面面積，增加使用空間，能帶來良好的經濟效益。

[1] 曹新明，肖常安，肖建春，等．區域約束混凝土淺折[J]．工程抗震與加固改造，2008，30(5)：112—115．

[2] 柏潔．區域約束混凝土梁的試驗研究[D]．貴陽：貴州大學，2005．

[3] 莫大霖.曹新明.肖利平.高文藝.預應力區域約束混凝土梁數值研究[J].貴州大學學報(自然科學版)，2015(2)：112-117.

[4] 高文藝，姚志剛，莫大霖等.預應力區域約束混凝土梁剛度的試驗研究[J].四川建材 2015(2):63-67.

[5] GB50010-2010《混凝土結構設計規范》[S]．北京：中國建筑工業出版社，2010.

[6] 鄧宗才.肖銳.徐海賓，等.高強鋼筋超高性能混凝土梁的使用性能研究[J].哈爾濱工程大學學報 2015(10):1335-1340.

[7] 曹新明，曹鵬程，朱國良．區域約束混凝土性能試驗研究[J]．建筑結構(增刊)，2006，36：5-17-5-21.

(責任編輯：王先桃)

Experimental Research and Nonlinear Finite Element Analysison Shear Behavior of Regional Confined Concrete Beams

DING Jiajun1， CAO Xinming1*

(1.College of Civil Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025,China)

Regional confined concrete (RCC) is a new concept based on study of normal confined concrete (NCC). Many experiment researches have indicated that the compressive properties, shear capacity, anti-seismic capacity and ductility of RCC have a certain increase compared with NCC. By using the RCC constitutive relationships, nonlinear finite element analysis of 4 RCC beams under shear load has been made to simulate the whole process of the experiment. It proved that conclusion given by the nonlinear finite element analysis software of ABAQUS is consistent with the experiment which provided theoretic foundation for further research of RCC.

regional confined concrete; constitutive relationships; nonlinear finite element analysis

1000-5269(2016)06-0098-06

10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2016.06.22

2016-00-00

貴州省住房和城鄉建設廳《區域約束混凝土結構設計標準編制》(黔建科通[2013]367號)

丁嘉俊(1991-)，男，在讀碩士，研究方向：區域約束混凝土結構，Email：445107662@qq.com.

*通訊作者： 曹新明，Email：397246997@qq.com.

TU375.1

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