1、小跨高比连梁新配筋方案的混凝土强度影响分析李萍 1 刘永 2 刘绒 3（西安铁路职业技术学院 710006）摘要：连接墙肢与墙肢的连梁是剪力墙结构中的重要耗能构件。本文用 ANSYS9.0 在对新配筋方案小跨高比连梁的非线性有限元分析的基础上，对影响小跨高比梁性能的主要参数进行了分析。探讨了混凝土强度等级对小跨高比连梁承载力和变形的影响。研究表明：混凝强度等级对小跨高比连梁的承载力和变形能力的影响较为显著；小跨高比连梁提高承载力都是以降低延性为代价的。关键词：小跨高比连梁；有限元分析；混凝土强度Analysis on the concrete grades influence of deep
2、coupling beam with new reinforcement scheme LI Ping 1, LIU Yong2，LIU Rong 3( Xian Railway Vocational finite element analysis; concrete grades1 引言在剪力墙结构和框架剪力墙结构中， 连接墙肢与墙肢、墙肢与框架柱的梁称为连梁。连梁是剪力墙肢之间的传力纽带。连梁的强度、刚度、延性及耗能能力对联肢剪力墙的抗震性能有很大影响 1。在框架- 剪力墙结构和框架- 核心筒结构中常用的跨高比(连梁净跨与其截面高度之比) 为0.52.5 之间的小跨高比连梁，在地震作用下属
3、于两端受转动约束的反对称弯曲的深梁，其剪弯比(作用剪力与弯矩之比)很大 2。文献 3提出沿连梁截面高度配置三层封闭箍筋的新配筋方案取代普通配筋方案中的一层封闭箍筋，并做了三个试件的探索性试验。试验结果表明，该配筋方案能有效提高小跨高比连梁的抗震性能。本文作者也运用 ANSYS 有限元程序，对这种连梁进行非线性有限元模拟，分析连梁具有较好的延性和耗能能力 4。为了进一步了解新配筋方案小跨高比连梁的受力及变形性能，本文对不同混凝土强度下的新配筋方案连梁进行非线性有限元分析，探讨混凝土强度对小跨高比连梁受力性能的影响。2 结构模型为了研究混凝土强度对新配筋方案小跨高比连梁受力性能的影响，本文模拟 3
4、 个剪压比不同的试件 5（剪压比分别为 0.15，0.2，0.25） ，试件配筋情况见表 1。取剪力墙结构上下层中间带连梁部分作为计算模型，连梁的尺寸为 ，试件尺寸及连n90m60mlbh梁配筋详见图 1。试件的混凝土材料分别选用 C40、C30、C25、C20，混凝土的本构关系采用清华大学过镇海研究的单向轴压应力-应变曲线 6。表 1 试件的剪压比及配筋情况图 1 连梁试件尺寸及配筋 在定义破坏面时，ANSYS 程序中的 Concrete 材料破坏准则采用 Willam-Warnke 的五参数破坏准则。由此将混凝土的单轴本构关系转化为三轴本构关系来进行计算。本文采用的参数如下：钢筋强度等级采
5、用两种，HPB235 和 HRB400，采用双线型随动强化塑性选项。钢筋混凝土有限元模型中，混凝土与钢筋的组合方式采用组合式模型，混凝土单元采用Solid65,钢筋单元采用 Link8。本文对混凝土连梁张开裂缝和闭合裂缝分别取 0.35 和 0.75，关闭混凝土的压碎开关。本文划分单元时，考虑到连梁试件的形状很规则，因此在 ANSYS 程序中采用映射划分单元，所有实体单元都是正六面体单元。上部端块加载梁支座处加设 40mm 厚的钢垫板，以避免出现局压破坏。试件名称 顶、底部纵筋 构造钢筋 箍筋（双肢 3 层） 剪压比CB1 2 12 4 12 6.541 0.15CB2 3 12 4 12 8
6、50 0.20CB3 2 18 4 12 1045 0.25试件加载采用位移加载，即在加载型钢梁的下端部施加一个水平位移，每次加载为 2mm，逐步增大，直到模型达到承载力强度为止。3 有限元分析结果 3.1 荷载-位移关系有限元计算的试件荷载-位移曲线如图 2 所示，由图可见，试件弹性变形阶段很短，荷载不大时进入弹塑性变形阶段。随荷载增大，最初的小裂缝成为贯通裂缝，曲线出现下降段。（a）混凝土强度 C40 荷载-位移曲线 （b）混凝土强度 C20 荷载-位移曲线（c）混凝土强度 C25 荷载-位移曲线 （d）混凝土强度 C20 荷载-位移曲线图 2 试件荷载-位移曲线3.2 承载能力分析小跨高
7、比连梁不同混凝土强度等级时的承载力见表 2，影响曲线见图 3(a)、(b)、(c)和图 4。比较试件的荷载曲线图可以看到随着混凝土强度等级的增大，3 个模型的屈服荷载和极限荷载都在增加。3 个模型的极限荷载曲线基本呈直线增加，屈服荷载几乎呈直线逐步增加。 通过三个试件之间的比较可以发现， CB-3 极限承载力最大，其次是 CB-2、CB-1。表 2 试件的承载力计算结果（单位：N）CB-1 CB-2 CB-3混凝土强度等级 屈服荷载 极限荷载 屈服荷载 极限荷载 屈服荷载 极限荷载C40 192217 230502 211231 255418 250175 306424C30 167211 1
8、98809 180534 219312 208022 2617040501001502002503003500 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10位 移 （ mm）荷 载（ KN）CB-1CB-2CB-30501001502002503000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10位 移 （ mm）荷 载（ KN）CB-1CB-2CB-30501001502002500 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10位 移 （ mm）荷 载（ KN）CB-1CB-2CB-3 0501001502002500 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10位 移 （ mm）荷 载（ KN）CB-1C
9、B-2CB-305010015020025015 20 25 30 35 40 45混 凝 土 强 度 等 级荷 载 （ KN）屈 服 荷 载极 限 荷 载C25 127260 181832 138121 202531 160356 221172C20 111275 164379 108107 179304 137067 190669（a）CB-1 荷载曲线图（b）CB-2 荷载曲线图（c）CB-3 荷载曲线图图 3 试件荷载曲线图05010015020025030015 20 25 30 35 40 45混 凝 土 强 度 等 级荷 载 （ KN）屈 服 荷 载极 限 荷 载荷 载 （ KN
10、）05010015020025030035015 20 25 30 35 40 45混 凝 土 强 度 等 级屈 服 荷 载极 限 荷 载05010015020025030035015 20 25 30 35 40 45混 凝 土 强 度 等 级荷 载 （ KN）CB-1CB-2CB-3图 4 三试件对比极限荷载曲线3.3. 延性和变形能力分析 小跨高比连梁不同混凝土强度等级下的极限位移和延性系数计算结果见表 3，影响曲线见图58。比较试件的延性系数曲线和极限位移曲线可以得出随着混凝土强度等级的增大，极限位移逐渐增加，但是延性系数逐渐减小。通过三个试件之间的比较可以发现， CB-3、 CB-2
11、、CB-1的延性是逐渐降低的。表 3 试件的极限位移和延性系数计算结果CB-1 CB-2 CB-3混凝土强度等级 延性系数 极限位移 延性系数 极限位移 延性系数 极限位移C40 2.04 9.01mm 1.94 9.10mm 1.92 8.66mmC30 2.10 9.00mm 1.98 9.01mm 1.93 8.53mmC25 2.17 7.28mm 2.14 7.32mm 2.11 6.95mmC20 2.19 7.00mm 2.16 7.05mm 2.14 6.82mm11.522.533.515 20 25 30 35 40 45混 凝 土 强 度 等 级延 性 系 数延 性 系
12、数66.577.588.599.515 20 25 30 35 40 45混 凝 土 强 度 等 级位 移 (mm)极 限 位 移（a）延性的影响曲线 （b）极限位移的影响曲线图 5 CB-1 位移曲线图11.522.533.515 20 25 30 35 40 45混 凝 土 强 度 等 级延 性 系 数延 性 系 数66.577.588.599.515 20 25 30 35 40 45混 凝 土 强 度 等 级位 移 (mm)极 限 位 移（a）延性的影响曲线 （b）极限位移的影响曲线图 6 CB-2 位移曲线图11.522.533.515 20 25 30 35 40 45混 凝 土
13、强 度 等 级延 性 系 数延 性 系 数66.577.588.5915 20 25 30 35 40 45混 凝 土 强 度 等 级位 移 (mm)极 限 位 移（a）延性的影响曲线 （b）极限位移的影响曲线图 7 CB-3 位移曲线图11.522.533.515 20 25 30 35 40 45混 凝 土 强 度 等 级延 性 系 数CB-1CB-2CB-3图 8 三试件对比延性系数曲线4. 结论通过改变混凝土强度等级对小跨高比连梁的有限元分析，可得以下初步结论：（1）改变混凝土强度等级时，可以提高试件的屈服荷载和极限荷载，并且增幅明显， 但是同时延性也会有所降低。（2）三个试件 CB-
14、1、CB-2、CB-3 之间比较，承载力都是 CB-3 最大，其次分别是 CB-2、CB-1 ；但是延性刚好是相反的顺序。所以三个试件提高承载力是以降低延性为代价。参考文献1 张斌斌.高层建筑剪力墙连系梁抗震性能的试验研究D.重庆：重庆大学硕士学位论文,2001.2 傅剑平 , 赵杰林, 曹云锋, 白绍良. 采用新配筋方案小跨高比抗震连梁的试验研究 J. 重庆建筑大学学报，2004，26(1):503 梁兴文，刘清山，李萍. 新配筋方案小跨高比连梁抗震性能的试验研究 J. 建筑结构，2007(12)4 李萍, 梁兴文, 刘清山. 小跨高比连梁新配筋方案的受力性能研究 J. 工业建筑，20085 过镇海. 混凝土的强度和本构关系M. 中国建筑工业出版社，2004附：作者联系方式通讯地址及邮编：陕西省西安市临潼区铁一处西安铁路职业技术学院 710006 电话：13484953008E-mail:
