鋼筋混凝土寬梁-柱抗震性能配筋方案對比研究

王劍楠，張 鋒

（1.西安云帆市政工程咨詢有限公司，陜西 西安 710061；2.陜西通宇公路研究所有限公司，陜西 西安 710100）

1 引言

鋼筋混凝土寬梁的寬度大于支撐柱的寬度，其結構性能（剪切和彎曲）通常與普通梁結構性能有所不同，普通梁的抗剪承載能力主要由梁高決定，截面尺寸一般較大，因而普通梁的剛度較大，易使梁柱框架出現“強梁弱柱”的現象，不利于結構抗震。降低普通梁的梁高同時增大梁寬形成寬梁結構，弱化了抗彎性能，有利于實現“強柱弱梁”“強剪弱彎”的抗震延性需要，具有良好的抗剪性能[1-3]。鋼筋混凝土寬梁中的箍筋配置可能會影響其對抗剪的貢獻程度，即不同的箍筋配筋率具有不同的剪切箍筋強度占比。由于鋼筋混凝土寬梁的尺寸變化，其撓度大于普通梁的撓度。鋼筋混凝土寬梁結構從建筑角度上可以提供各種優勢和需求，例如可以通過重復使用減少模板數量，從而大大降低施工成本，簡化施工過程，因此已經廣泛應用于建筑結構當中。

國內外研究人員對寬梁的結構性能以及在高層建筑結構中的應用展開了廣泛研究。丁新中[4]探討了高層框剪結構中寬梁的方案對比，分析了寬梁抗震性能及寬梁大量使用對高層結構的影響；黃志軍等[5-7]應用鋼筋混凝土彈塑性理論，探討了寬梁-柱節點在水平地震荷載作用下的工作性能，對比研究了各類寬梁-柱節點在多種水平地震作用下的響應，最后提出了寬梁-柱節點設計的建議；朱萸等[8，9]從高層建筑中所應用的寬梁基本概念出發，指出了寬梁與普通鋼筋混凝土梁結構的不同，并總結了寬梁用于高層建筑結構中的設計要點；韓玨等[10，11]以實際工程為背景，分析了寬梁寬厚比變化對寬梁轉換結構抗震性能的影響，建議寬梁設計的合理寬厚比取1.83。綜上所述，現有研究主要探討了寬梁幾何尺寸以及節點局部構造設計對寬梁-柱結構抗震性能的影響，部分研究者總結了寬梁配筋設計的要求與建議，但鋼筋配筋率導致該類結構的抗震性能的變化規律尚存在研究不足，各類鋼筋對寬梁-柱節點抗震性能的具體貢獻存在不明確的結論。因此，本文主要針對各類鋼筋配筋率的不同，采用多種配筋方式進行數值對比分析，探討縱筋以及箍筋對寬梁-柱節點抗震性能的影響。

本文采用有限元分析的手段建立鋼筋混凝土寬梁-柱節點模型，利用該模型對文獻[12]中進行的寬梁試驗進行數值分析，以驗證有限元模型的有效性。在此基礎上，利用有限元模型對比分析采用不同配筋率（箍筋、受拉鋼筋、受壓鋼筋）進行加固對寬梁結構性能的影響，主要探究其抗震性能，最后給出設計建議。

2 模型建立與驗證

2.1 試件尺寸

本文選取的試件與試驗數據來源于Shuraim 于2012 年公開發表的論文[12]，該試驗采用的試件梁尺寸：寬、跨、高分別為700mm、3000mm、180mm；試件柱的橫截面尺寸：寬、長、高分別為140mm、200mm、1500mm。鋼筋混凝土梁采用7φ14mm抗壓鋼筋，7φ16mm抗拉鋼筋，6φ12mm 間距150mm 布置水平橫向鋼筋，9φ16mm/m布置箍筋。鋼筋混凝土柱采用8φ16mm縱向鋼筋，柱腳設置1φ8mm 箍筋，結構尺寸與布置如圖1 所示。荷載施加位置如圖2 所示，沿梁全寬加載，加載過程中采用位移控制方案，以施加荷載增量，直到試件破壞。

圖1 鋼筋混凝土寬梁-柱試件幾何尺寸

圖2 鋼筋混凝土寬梁-柱加載布置

2.2 有限元模型驗證

根據上述試件尺寸，利用有限元分析計算軟件ANSYS 建立實體有限元模型[13]，如圖3 所示，圖中注明了各混凝土區域及鋼筋所采用的單元類型。

圖3 試件有限元模型細節

本文主要對比了試件的極限荷載和破壞模式。如圖4 所示，在靠近中間支架的兩個位置都發生了破壞，此時混凝土達到了最大應力值；縱向鋼筋在同一位置達到屈服應力值，此時的破壞荷載為830kN，Shuraim試驗結果為893kN，有限元模型與試驗結果的相對誤差為7.1%。如圖5所示，有限元模型中顯示的裂縫位置與試驗基本相符。綜上，有限元計算結果與試驗結果之間有很好的一致性。

圖4 有限元應力計算結果（MPa）

圖5 裂縫分布狀況對比

3 數值分析

在有限元模型可靠性驗證的基礎上，采用同樣的建模方式建立多種寬梁-柱節點有限元模型，開展參數分析。

采用八節點實體單元Solid65 模擬混凝土梁、柱。實體單元有八個節點，每個節點有三個自由度—節點x、y 和z 方向的平移。該單元可以產生塑性變形，在三個垂直方向上開裂，并被壓碎。使用Link180單元模擬鋼筋，單元具有兩個節點，節點存在三個自由度，即節點x、y和z方向的平移。實體單元選擇的最大網格尺寸為150mm×150mm。在有限元軟件ANSYS 中，荷載分步施加，選擇荷載增量的大小以達到收斂，同時達到足夠的精度[13]。有限元模型如圖6所示。

圖6 有限元模型示意

擬定模型的尺寸，梁結構的寬、高、跨度分別為1500mm、300mm、6000mm，柱結構的寬、長、高度分別為500mm、500mm、1500mm，受拉鋼筋、受壓鋼筋、柱縱筋和箍筋的標準抗拉強度為360MPa，梁的箍筋標準抗拉強度為280MPa，梁體采用立方體抗壓強度為30MPa 的混凝土，柱體采用立方體抗壓強度為45MPa 的混凝土。本文所分析的有限元模型不同點在于抗拉鋼筋配筋率、抗壓鋼筋配筋率以及每延米箍筋配筋率，具體參數變化見表1。

表1 B1～B8模型參數變化匯總表

圖6 同時給出了有限元模型的邊界條件和加載狀況，圖中支架在所有方向（z、x 和y）都受到約束。水平力施加在柱子的頂部。模型加載了靜態地震荷載，因此有限元模型中的子步驟加載步長非常小，以避免無法收斂的問題。

4 結果分析

4.1 荷載-位移曲線

圖7 給出了一系列荷載-位移曲線，對比了不同箍筋布置的試件荷載位移變化結果（B1 和B2，B3 和B4，B5和B6，B7和B8）。寬梁B1先于寬梁B2破壞，極限載荷分別為400kN、600kN；寬梁B3 先于寬梁B4 破壞，極限載荷分別為500kN、600kN；寬梁B5 先于寬梁B6 破壞，極限載荷分別為300kN、400kN；寬梁B7 先于寬梁B8 破壞，極限載荷分別為330kN、340kN。B1～B8 試件破壞前最大下撓分別為1.5mm、3mm、3.5mm、6.5mm、1.1mm、2.7mm、1.8mm、4mm。根據分析結果可知，箍筋數量較少的試件總是先于箍筋配置較多的試件發生破壞，因此箍筋的配置可以增大寬梁在水平荷載作用下破壞的極限荷載。

圖7 有限元計算結果

4.2 耗能

能量耗散是荷載-位移曲線中從屈服荷載到極限荷載下的面積，寬梁由混凝土和不同的鋼筋組成，其耗能可以定義為混凝土和鋼筋的耗能之和。結構耗能能力在很大程度上取決于梁柱連接在經歷反復的非彈性變形循環時所經歷的剛度和強度退化。靜態地震荷載下結構性能的一個最重要的方面是結構有效耗散能量的能力。圖8給出了各模型耗能情況，在不同的鋼筋配置下，耗能最高的模型是B4，最低的是B5，B4的耗能比B1、B2、B3、B5、B6、B7、B8分別高97%、75%、97%、99%、86%、99%、70%。從荷載-位移曲線可以發現，原因是位移增大，能量由靜力地震荷載耗散。

圖8 有限元計算結果

4.3 破壞模式

研究中每個模型的箍筋和鋼筋的應變從ANSYS程序中獲得，并將它們與屈服應變（0.0014）進行比較，以了解破壞的類型。表2說明了兩種類型的破壞（延性破壞和剪切破壞）。

表2 B1～B8模型參數變化匯總表

4.4 超強系數

超強系數是屈服極限切線剛度與初始剛度之比。有限元計算結果表明，B4具有最高的超強系數，分別比B1、B2、B3、B5、B6、B7、B8 高84%、39%、41%、96%、45%、93%、38%。圖9給出各模型對應的超強系數。

圖9 各模型超強系數情況

4.5 剛度

剛度是結構抵抗外力變形的能力，是屈服力與屈服位移的比值。圖10 給出了各模型對應的初始剛度。剛度最高的是B2 模型，最低的是B3 模型。B2 的剛度分別比B1、B3、B4、B5、B6、B7、B8高出27%、58%、25%、40%、43%、52%、52%。

5 結語

本文利用ANSYS 對不同配筋布置的鋼筋混凝土寬梁-柱進行參數分析，對比各模型的耗能能力、破壞模式、超強系數以及剛度等指標，以探討配筋率（主要對比箍筋配筋率）對結構抗震性能的影響，得到以下結論：

①荷載位移曲線結果表明，箍筋配筋率越大，寬梁在水平地震荷載作用下的極限承載力越高，適當的抗拉鋼筋與抗壓鋼筋的布置可以增大結構的延性（B4 模型）。結構撓度對比分析表明，鋼筋配筋率越大，剛度越大（B2 模型），縱向鋼筋和箍筋的配筋率對結構剛度具有一致的影響顯著性。

圖10 各模型剛度對比

②模型B4 具有最大耗能能力以及超強系數，這是由其較高的延性決定的，其鋼筋布置為：抗拉鋼筋配筋率為1.0%橫截面面積，抗壓鋼筋配筋率為0.6倍抗拉鋼筋，箍筋配筋率為每延米0.130%。由同樣縱筋布置的模型計算結果對比可知，箍筋配筋率減半后，耗能能力以及超強系數均急劇下降。

③各模型破壞模式表明，當縱向鋼筋配筋率較大、箍筋配筋率較小時，結構發生剪切脆性破壞。隨著箍筋配筋率的增大（此處為箍筋與縱向主筋的比值），結構逐漸表現為延性破壞。當縱向鋼筋配筋率較小時，無論箍筋配筋率如何變化，結構始終發生剪切脆性破壞。