小跨高比连梁改进仿真研究

1理论依据

试验表明［6］，采用普通配筋方案的小跨高比连梁，无论是剪切型破坏还是弯曲型破坏，最终都由混凝土压杆在端块与连梁交接处的节点域受压破坏控制．Paulay［7］采用沿对角线方向配置的钢筋混凝土暗柱（含约束混凝土）抵抗斜压杆在此处产生的压应力，而分段封闭箍筋配筋方案则采用阶梯形箍筋形成的约束混凝土斜压杆抵抗压应力．由小跨高比连梁主应力迹线图可得出小跨高比连梁内部还存在水平机制（图1b）和竖向机制（图1c）两种传力机制，跨高比越小水平机制和竖向机制分担的剪力就越大，当连梁跨高比为3／4时，这两种传力机制承担的剪力高达50％，对于较陡峭斜压杆和较平坦斜压杆，分段封闭箍筋配筋方案都能达到有效的抵抗效果．对于抵抗连梁内部的对角拉力，Paulay方案利用对角暗柱中的4根纵筋来承担，而分段封闭箍筋配筋方案利用纵筋和箍筋形成的合力来抵抗，并可抵抗所有的斜向拉应力．由此可知，Paulay方案施工不便但具有较优的抗震性能，而分段封闭箍筋配筋方案施工简便且抗震性能优良．一般来说，保证钢筋混凝土之间的良好黏结是必要的，但在某些情况下使钢筋和混凝土无黏结反而能提高结构的延性，例如Pandey等［8］提出了可以通过钢筋与混凝土无黏结来提高混凝土桥墩抗震性能的观点，并进行了试验验证．该试验中，柱A－1和柱A－3参数相同，只是对柱A－3塑性铰区进行无黏结处理，最后柱A－1发生的是没有延性的剪切破坏，而柱A－3发生的是具有良好延性的受弯破坏，类似结论在其他一些研究中也得到了证实．混凝土在二轴拉压应力状态下的强度和刚度比单轴受拉（压）应力状态低很多，称为混凝土受压软化．算例［2］表明，软化系数可高达50％左右．根据分段封闭箍筋配筋方案的合理性，我们在梁墙交接处向梁内延伸h／4的跨度内，对纵向受力钢筋采用无黏结形式，即在钢筋的外部套上塑料套管阻止受力纵筋与混凝土的黏结，这就降低了混凝土的软化系数，提高了混凝土的抗压强度．混凝土抗压强度的提高可以使三种抗剪机制中的混凝土压杆的承载力提高，从而提高了连梁的抗剪承载力、延性和耗能性能．

2数值模拟分析

2．1结构模型

为了对比分段封闭箍筋小跨高比连梁方案与改进方案的受力性能，模拟两个剪压比、配筋完全相同但连梁与剪力墙交界处纵筋有、无黏结的不同试件．试件的配筋情况如表1所示，连梁的尺寸为ln×b×h＝900mm×100mm×600mm，试件尺寸及连梁配筋如图2所示．利用ANSYS分析时，主要有整体式和分离式两种模型，本文采用分离式模型．混凝土单元采用Solid65，采用基于VonMises准则的多段非线性弹性应力应变关系建立本构模型，破坏准则采用Willam－Warnke的五参数破坏准则［9］．其中，混凝土弹性模量为3．15×104MPa，立方体抗压强度为40．2MPa，单轴抗压强度为30．6MPa，单轴抗拉强度为2．2MPa，泊松比为0．2，裂缝间剪力张开和闭合系数分别为0．25和0．6．钢筋单元采用Pipe20和Link8．Pipe20用于模拟连梁受力主筋；Link8用于模拟钢筋混凝土结构中的构造钢筋和箍筋；Solid45用于模拟加载型钢和钢垫块．受力筋、构造钢筋和箍筋采用理想弹塑性模型，加载型钢和钢垫块采用弹性模型．其中，三级钢‖—12的弹性模量为2．0×105MPa，屈服强度为465MPa，极限抗拉强度为595MPa，屈服应变为2325；一级钢｜12的弹性模量为2．1×105MPa，屈服强度为290MPa，极限抗拉强度为425MPa，屈服应变为1381；｜8钢筋的屈服强度为295MPa，极限抗拉强度为450MPa，屈服应变为1405．划分单元网格时，所有实体单元都是正六面体单元，连梁试件的形状很规则，采用ANSYS程序中映射划分单元．上部端块加载梁支座处加设40mm厚的钢垫板，防止出现局压破坏．采用位移加载控制方式，即在加载型钢梁的下端部（连梁跨中位置处）施加一个水平位移荷载，加载增量为2mm，直到试件模型破坏为止．控制非线性分析的求解项很关键，对计算结果是否收敛影响很大．本文采用静态分析求解类型、打开大变形开关、自动时间步、线性搜索等选项，达到收敛的目的．

2．2有限元分析结果

2．2．1承载力比较

连梁试件数值模拟分析的位移－荷载骨架曲线如图3所示，在加载初期，荷载与位移成正比增加，随着荷载的增大，试件逐渐出现塑性铰，试件的承载力与位移成曲线发展．当连梁的位移较大但荷载基本处于稳定时，可认为连梁已达到屈服应力状态，对应的荷载即为屈服荷载．从图3可以看出，连梁端部钢筋无黏结时的屈服荷载低于有黏结时的屈服荷载，但屈服后经过较长时间的变形才达到极限承载力，后期承载力较大，连梁端部纵筋黏结时则相反．从表2可以看出，连梁端部纵筋无黏结时的延性系数较大，耗能能力较好．

2．2．2连梁的Von－Mises

应力分布荷载较小时，首先在连梁的受压部位（如连梁的左上角和右下角部位）出现压应力，但应力值很小，其他部位应力值更小或无应力值．随着荷载的增大，应力受力范围逐渐扩大，并向连梁其他部位延伸．当连梁分别达到屈服应力状态及极限应力状态时，连梁的受压部位（左上角和右下角）应力较大，混凝土的承载力也比其他部位大，压应力在对角线两侧较宽的范围内分布，连梁端部纵筋无黏结时的压应力区面积比钢筋黏结时大，对角线两侧的压应力区也较大，充分说明钢材材性得到发挥，导致混凝土受压区面积较大．原因在于连梁端部钢筋无黏结连接时，钢筋与混凝土相对滑移，二者之间无黏结应力的存在，不会对混凝土的抗压强度造成软化．

2．2．3连梁裂缝分布

连梁试件裂缝分布规律为：随着荷载的逐步增大，首先在连梁的根部出现弯曲裂缝；随着荷载的进一步增大和弯曲裂缝的发展，逐渐出现斜裂缝；随后，裂缝呈扇形向连梁中部发展；最后，裂缝布满全跨．比较这两种方案可知：改进方案中弯曲裂缝的发展程度较原配筋方案充分，几乎布满整个梁高范围，这说明改进方案的耗能性能较好．由连梁裂缝分布图（图4）可见，连梁端部钢筋无黏结时，在加载初期，位移与承载力成正比增加．当荷载不是很大时，在连梁端部出现弯曲裂缝，裂缝从连梁端部的受拉区开始逐渐向受压区扩展，但未出现第二条弯曲裂缝．随着荷载的逐渐增加，连梁达到屈服应力状态，第二条弯曲裂缝紧接着出现，斜裂缝逐渐出现并发展．最后，裂缝布满连梁全跨，连梁达到极限承载力．连梁端部纵筋黏结时，在加载初期，连梁端部出现弯曲裂缝，裂缝从连梁上端部的受压区开始逐渐向受拉区发展，但发展程度比连梁端部纵筋无黏结时小．此时，裂缝向连梁跨中发展．随着荷载的增大，出现斜裂缝，最后裂缝布满连梁全跨，连梁达到极限承载．

2．2．4钢筋应力分布

纵筋在开始加载时，一端受压，另一端受拉．随着荷载的增大，钢筋逐渐变为全长受拉．在试件达到极限荷载时，钢筋接近半跨内都达到屈服应力，但连梁端部纵筋无黏结时的应力比黏结时的应力大．试件发展后期，改进方案的塑性发展程度较充分，更充分发挥材料的性能，延性更好．箍筋在连梁端部基本都达到屈服状态．

3结论

1）连梁端部纵筋无黏结时，连梁极限抗剪承载力比纵筋黏结时高．

2）连梁端部纵筋无黏结时，连梁裂缝的发展较纵筋黏结时充分，说明改进方案具有更好的延性和耗能能力．

3）连梁端部纵筋无黏结时，连梁端部弯曲裂缝的发展较为充分，更易实现连梁弯曲破坏或弯剪破坏的要求．

4）纵筋和构造钢筋在连梁端部基本上都达到屈服状态，改进方案中材料的性能得到了更进一步的充分利用．