轴压比设计分析及研究

轴压比设计分析及研究
1. 前言
钢筋混凝土框架柱的破坏形态分为剪切、弯曲等,其中弯曲破坏又分为大、小偏心受压破坏两种。剪切和小偏心受压都属于脆性破坏类型,要想改善柱延性,就要从根本上改变柱破坏形态,即由脆性的剪切破坏改为延性的弯曲破坏,研究结果表明,剪跨比、轴压比、纵筋及箍筋配置等是影响破坏形态的主要因素。因此,框架柱的设计应同时考虑以上各个参数的影响。钢筋混凝土框架柱的轴压比限值及截面延性的关系是每一个结构设计人员在设计时都遇到过的,并伤透脑筋的一个限值问题。为了保证柱的延性要求,规范通过限制轴压比,主要是希望柱发生延性好的大偏心受压破坏,即弯曲型破坏,从而保证柱有足够大的弹塑性极限变形能力,实现大震不倒的设计目的。
2. 柱轴压比定义
柱轴压比是控制框架柱截面尺寸的一个重要指标,其定义为:考虑地震作用组合的轴压力设计值与柱全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积的比值:
式中: 为考虑地震作用组合的轴压力设计值; 为馄凝土轴心抗压强度设计值; 为柱全截面面积。在《建筑抗震设计规范》GB50011-2001(2008年版)第6•3•7条和《混凝土结构设计规范》GB50010-2002第11•4•16中，规定了筋混凝土框架柱轴压比限值。
结构体系 抗震等级
一 二 三
框架结构 0.70 0.80 0.90
框-剪结构、简体结构 0.75 0.85 0.95
部分框支剪力墙 0.60 0.70 -
3. 有限元数值模拟实验分析
用Abaqus有限元分析软件模拟对钢筋混凝土框架柱进行低周位移加载，分析在不同轴压比情况下其耗能滞回曲线，研究其延性的变化趋势。
3.1. 试验构件描述
高2m，截面尺寸0.4m×0.4m的对称配筋的钢筋混凝土柱。混凝土柱纵筋配置4f22，箍筋配置8@200，箍筋加密区配置8@100，混凝土保护层厚度30mm。
3.2. 构件材料特性
①混凝土：弹性模量E=3.0e10 N/m2，泊松比0.2，抗压强度fc=2.53e7 N/m2，抗拉强度ft=1.96e6 N/m2
②HPB235钢筋：弹性模量E=2.1e11 N/m2，泊松比0.3，屈服强度fy=2.1e8 N/m2
③HRB400钢筋：弹性模量E=2.0e11 N/m2，泊松比0.3，屈服强度fy=3.6e8 N/m2
3.3. 试验加载过程
竖向：在柱顶施加不同的轴向压力，模拟不同轴压比情况。
轴压比分别为0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9。
横向：在柱顶施加横向水平位移，位移变化。
3.4. 构件各部分有限元模拟方法
纵筋及箍筋：T3D2杆单元 混凝土：C3D8R实体单元
钢筋本构关系：理想塑性材料本构
混凝土本构关系：abaqus混凝土损伤塑性本构（Concrete Damaged Plasticity）
3.5. 不同轴压比条件下钢筋混凝土柱最大变形应力云图
轴压比 混凝土最大变形应力云图 钢筋最大变形应力云图
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
3.6. 不同轴压比条件下钢筋混凝土柱柱顶截面中点耗能滞回曲线及耗能分析
根据abaqus的计算结果，将耗能滞回曲线的坐标点数据在Excel中进行后处理，求出曲线面积即耗能值。
轴压比 耗能滞回曲线 耗能值（J）
0.3 7917.593
0.4 8369.075
0.5 8597.428
0.6 8350.131
0.7 7013.913
（第40步时刚度退化严重）
0.8 5972.470
（第37步时刚度退化严重）
0.9 5092.691
（第35步时刚度退化严重）
不同轴压比条件下的滞回曲线耗能值变化图：
4. 结论
1、钢筋混凝土框架柱，轴压比不超过0.6的情况下，轴压比的提高有利于结构抗侧力能力的提高；轴压比超过0.6时，这种提高变得很小。
2、钢筋混凝土框架柱，当轴压比在0.3~0.6之间变化时，耗能滞回曲线的变化很小，当超过0.6时，耗能滞回曲线包围面积有了较大的减小，因而过大的轴压比，会降低钢筋混凝土框架柱的耗能能力。
3、建议在抗震地区其轴压比不大于0.6，这样就可以保证钢筋混凝土框架柱的极限承载力得到一定程度提高的同时，其位移延性不会降低太多。