丁嘉俊，曹新明

(贵州大学 土木工程学院，贵州 贵阳 550025)

区域约束箍筋形式对RCC梁正截面抗弯性能影响分析

丁嘉俊，曹新明*

(贵州大学 土木工程学院，贵州 贵阳 550025)

根据区域约束混凝土理论分析计算，对两根不同约束形式的箍筋间距为50 mm的区域约束混凝土梁(RCC梁)进行了抗弯性能的试验研究，并用ABAQUS有限元软件对梁的抗弯性能进行了模拟分析。结果表明，采用“日”字形箍筋梁与小方箍梁对比可知，“日”字形箍筋梁的箍筋形式能提高混凝土的抗剪承载力，更好的控制了裂缝向受压区延伸，因此采用“日”字形箍筋对区域约束混凝土梁的抗弯承载力以及延性均有大幅度的提高，能创造更好的经济效益。

区域约束混凝土；箍筋；承载力；延性；abaqus

区域约束混凝土梁是按约束混凝土概念，对简支梁作构造处理，在跨中混凝土受压区设置箍筋，与纵向钢筋一道，对该区域混凝土形成约束。区域约束混凝土即是通过约束钢筋对部分压区混凝土进行有效约束，在受拉钢筋屈服后制约压区混凝土的变形发展，可延长截面的失效过程，受压区混凝土压碎时对应的钢筋应变也相应大幅度增加，即提高了受压边缘混凝土达到混凝土极限压应变时的截面极限曲率，并不会明显提高受拉钢筋屈服时的截面屈服曲率，从而在提高梁极限承载力的同时也解决了受压区混凝土的延性问题。

1 区域约束强度取值

区域约束混凝土[1]理论是对混凝土理论的继承、补充和发展。由之前的研究可知[2]，区域约束混凝土柱具有较高的承载力和延性。若在梁中配置约束箍筋，梁的承载力和延性会的得到明显的提高。梁是最常见的受弯构件，在弯矩作用下，梁截面上部受压，下部受拉。在梁截面尺寸和混凝土强度不变的情况下，要提高构件的承载力，单在受拉区增加钢筋会形成超筋梁，在破坏时受压区混凝土先压碎，为脆性破坏。若在受压区配置相应的约束箍筋，根据区域约束混凝土理论，约束混凝土强度取值：

fcc=(1+k)fc

(1)

(2)

其中k为区域约束混凝土约束系数，由上式可知区域约束可以提高受压区混凝土的强度，从而改变梁的受力性能。在之前对区域约束混凝土梁进行的试验研究中[2]，结果表明：区域约束混凝土梁抗弯承载力计算值较普通混凝土梁可提高30%-48%，其延性较普通混凝土梁可提高75%。

根据研究需要，为了探究出区域约束混凝土梁在抗弯过程中最合适的箍筋形式，本文设计了两种箍筋形式：RCCB1(regional confined concrete beam)中 配置了“日”字形区域约束箍筋和在RCCB2中配置了“口”字形区域的小方箍，后期运用abaqus有限元软件对两根梁进行模拟分析，从而对区域约束混凝土梁的理论和试验研究结果进行详细对比分析验证，进而得出最合适的区域约束抗弯梁的箍筋形式。

2 构件设计

2.1 梁截面形式以及参数

本文共设计两根区域约束混凝土受弯梁试件，配置了“日”字形区域约束箍筋的梁为RCCB1， 配置了小方箍梁为RCCB2 (区域约束箍筋间距均为50 mm)，区域约束抗弯段的箍筋长度均为1200mm，非抗弯段为普通箍筋，间距为100mm。梁的跨度为2500mm，净跨2200mm, 截面尺寸为150mm×300mm, 混凝土强度等级为C40。具体截面形式如下图1、图2所示。

1-1截面 2-2截面

图1 RCCB1截面配筋图

1-1截面 2-2截面

图1 RCCB2截面配筋图

2.2 正截面承载力计算

根据曹新明教授团队所编写的区域约束混凝土结构技术规程，对RCCB1和RCCB2进行正截面抗弯承载力计算。计算步骤如下：

1) 先按照构造要求确定参数，包括约束区尺寸(宽度、高度)、箍筋形式、箍筋强度、纵筋分布、纵筋强度等并计算相应的约束系数k；

2) 取约束区域高度Xcc≤0.45(理论上约束区域高度可以不受限制，但过大的约束区域高度会导致受拉钢筋配筋量过大且承载力提高幅度下降，经济性降低，因此规定约束区域高度Xcc≤0.45)，本文构件约束区域高度即为小方箍高度0.096m；

3) 由fcc=(1+k)fc式确定fcc；

4)确定受拉钢筋配筋量；

=0.64

=153.78KN·m

=384.45ΚΝ

由此可知，除了箍筋形式不同之外，两根梁的正截面抗弯承载力理论计算值是相同的，试验构件设计参数如下表1所示。

表1 试验构件设计参数

3 试验方案

3.1 加载方案

试验为结构破坏试验，在静力台座上进行。由作用力控制试验进程，本试验采用两点对称加载施加两个垂直荷载的方法(由油压千斤顶进行加载，由一根型钢分配梁分配至两点对梁施加荷载)。两加载点距跨中300mm，并在两个支座处、两加载点处以及跨中五处位置布置位移计记录位移变化。加载程序为先预载，目的在于使试件各部接触良好，进入正常工作状态，保证荷载与变形关系趋于稳定，检验试验装置的可靠性以及仪表工作情况；之后再进行正式分级加载，当加载到标准荷载后，不卸载直接进入破坏阶段试验。

3.2 试验结果分析

RCCB1试验现象：加载至35kN时，跨中开始出现裂缝，此时跨中位移0.52mm；加载至100kN时，跨中出现大量裂缝，此时跨中位移2.62mm；加载至220kN时，斜裂缝增多，此时跨中位移6.58mm；加载至300kN时，跨中裂缝有延伸，裂缝变宽，此时跨中位移9.63mm；加载至417.8kN时，跨中出现较宽裂缝，上边缘鼓起，加载点位置混凝土脱落，此时构件破坏(如图3)，受拉区纵筋屈服。

图3 RCCB1发生正截面受弯破坏

RCCB2试验现象：加载至35.2kN时，跨中出现裂缝，此时跨中位移0.94kN；加载至121.2kN时，在分配梁支座处出现斜裂缝(如图4)并且延伸下去45度方向，此时跨中位移5.17mm；加载至185kN时，挠度增加很快，裂缝开展很快，分配梁支

图4 RCCB2首先产生斜裂缝

座下出现大量斜裂缝，此时跨中位移12.3mm；加载至207kN时，挠度非常大，梁断裂，钢筋未屈服，此时混凝土梁发生剪切破坏(如图5)。试验结果如下表2所示，荷载位移曲线图如图6所示。

图5 RCCB2发生斜截面剪切破坏

图6 荷载位移挠度曲线

由试验结果可知，RCCB1梁在静力破坏试验中发生的是正截面受弯破坏，且正截面抗弯承载力实验值要大于理论计算值。而RCCB2梁发生的是斜截面受剪破坏，且纵筋未发生屈服破坏。

分析原因可知，在RCCB1中“日”字形箍筋在混凝土的受拉区域能够提高梁的抗剪承载力，为了保证梁发生正截面受弯破坏，因此梁的斜截面抗剪承载力要大于正截面抗弯承载力，因此RCCB1能发生正截面破坏，由于受压区的混凝土在区域约束下得到了较好的约束，提高了受压边缘混凝土达到混凝土极限压应变时的截面极限曲率，并不会明显提高受拉钢筋屈服时的截面屈服曲率，因此，梁的正截面承载力较理论计算值得到了提高。而RCCB2的受压区混凝土能够得到小方箍较好的约束，但是斜截面抗剪只靠混凝土承担，在试验过程中首先产生的是斜截面裂缝，因此斜截面抗剪承载力明显不足， 随着斜截面裂缝很快延伸至受压区域，导致受压区的区域约束作用显著下降，致使梁的正截面承载能力未得到充分利用而发生了斜截面的剪切破坏。

表2 试验结果

4 区域约束混凝土梁的有限元分析

4.1 abaqus有限元模型的建立

在有限元的模型当中增设一根普通钢筋混凝土梁NCB3进行对比。在NCB3模型中除受弯段(1200mm范围内)采用间距为200mm的普通箍筋以外，其余参数与试验梁均相同。施加的静力荷载为417.8KN(与RCCB1相同)观察其在荷载作用下钢筋的应力情况。

RCCB1、RCCB2和NCCB3有限元模型如下图7-10所示。有限元模型按照计算试验模型同比设计。混凝土强度等级为C40，纵筋和箍筋均采用HRB400级钢筋。建立abaqus模型混凝土采用C3D8R单元，钢筋采用T3D2单元，将钢筋埋入(embedded)混凝土单元中来模拟钢筋混凝土之间的粘结关系。为防止加载过程中梁上加载面及支座处出现应力集中，因此建模时在梁加载处和支座处设置钢垫片，以增加接触面积和刚度。

图7 RCCB1钢筋笼模型

图8 RCCB2钢筋笼模型

图9 NCB3钢筋笼模型

图10 混凝土梁模型

4.2 abaqus计算结果分析

应力云图是试件受力过程中各个部位应力情况最直观的表现，可以一目了然的了解各部位的工作情况。RCCB1、RCCB2和NCB3的钢筋笼应力云纹图如下图11-13所示。

图11 RCCB1钢筋应力云纹图

图12 RCCB2钢筋应力云纹图

图13 NCB3钢筋应力云纹图

观察用abaqus模拟的NCB3的钢筋应力云图可以得出， 在418kN静力荷载作用下，应力最大的地方出现在两端支座内侧，此时拉应力为255MPa，纵筋并未屈服，此时普通梁的跨中竖向位移为2.4mm；但在观察普通梁的塑性损伤受拉破坏模型(DAMAGET)中可以发现(如图14)，受拉区的混凝土损伤因子为0.86，说明普通梁的受拉区混凝土已经出现大量裂缝，而支座方向上的受压区混凝土的受拉因子为0.58，说明混凝土已经开始出现破坏，因此普通梁在荷载的作用下，竖向位移很小，受拉区纵筋未屈服，梁因为混凝土的破坏而失效，因此这种破坏形式为超筋破坏，属于脆性破坏。

图14 NCB3 DAMAGET图

5 结论

1.由试验结果可以得出，对于RCCB1所采用的“日”字形区域约束箍筋，其正截面抗弯承载力较理论计算值相比提高了8.7%，并且RCC梁在发生正截面受弯破坏时，具有较好的延性；而RCCB2所采用的小方箍因为受拉区混凝土未能得到箍筋的约束，抗剪承载力全由混凝土承担，可以看到斜截面承载力明显不足，从而发生了斜截面破坏，区域约束效果未能得到充分利用；因此“日”字形箍筋与小方箍相比较，能明显提高梁的正截面抗弯性能；

2.abaqus模拟的普通梁模型NCB3在与RCCB1在竖向荷载相同的情况下，NCB3发生的是超筋梁的脆性破坏，而RCCB1发生的是延性破坏，说明区域约束混凝土梁能避免发生超筋破坏，RCC梁的延性较NCB相比得到显著提高；

3.运用abaqus对两根梁的钢筋骨架进行了有限元分析可知，模拟分析结果和试验结果相近，进一步验证区域约束混凝土梁的正截面抗弯性能具有较高的参考价值；

4.对于“日”字形区域约束箍筋形式对梁的性能影响可以利用abaqus软件做进一步研究，本文中“日”字形箍筋所取得间距50mm，下一步研究可将箍筋间距作为变量进行探究；

5. 由于力学性能的改善及抗震性能的提高，使得构件承载力提高，在同等荷载效应及可靠度情况下，利用区域约束混凝上可以大幅度减小构件截面面积，增加使用空间，能带来良好的经济效益。

[1] 曹新明，肖常安，肖建春，等．区域约束混凝土浅折[J]．工程抗震与加固改造，2008，30(5)：112—115．

[2] 柏洁．区域约束混凝土梁的试验研究[D]．贵阳：贵州大学，2005．

[3] 莫大霖.曹新明.肖利平.高文艺.预应力区域约束混凝土梁数值研究[J].贵州大学学报(自然科学版)，2015(2)：112-117.

[4] 高文艺，姚志刚，莫大霖等.预应力区域约束混凝土梁刚度的试验研究[J].四川建材 2015(2):63-67.

[5] GB50010-2010《混凝土结构设计规范》[S]．北京：中国建筑工业出版社，2010.

[6] 邓宗才.肖锐.徐海宾，等.高强钢筋超高性能混凝土梁的使用性能研究[J].哈尔滨工程大学学报 2015(10):1335-1340.

[7] 曹新明，曹鹏程，朱国良．区域约束混凝土性能试验研究[J]．建筑结构(增刊)，2006，36：5-17-5-21.

(责任编辑：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

贵州省住房和城乡建设厅《区域约束混凝土结构设计标准编制》(黔建科通[2013]367号)

丁嘉俊(1991-)，男，在读硕士，研究方向：区域约束混凝土结构，Email：445107662@qq.com.

*通讯作者： 曹新明，Email：397246997@qq.com.

TU375.1

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