基于抗震性能的方钢管混凝土柱端加劲肋构造比较与计算.pdf

第 卷第 期 年 月土木工程与管理学报 .:./.收稿日期:修回日期:作者简介:张秭文()男湖北宜昌人硕士研究生研究方向为钢管混凝土结构(:.)通讯作者:杜国锋()男吉林四平人教授博士生导师研究方向为钢管混凝土结构、长输管道结构(:.)基金项目:国家自然科学基金()基于抗震性能的方钢管混凝土柱端加劲肋构造比较与计算张秭文 袁洪强 张继承 杜国锋(长江大学 城市建设学院 湖北 荆州)摘 要:通过构造措施优化方钢管混凝土柱端部加劲肋设计提高柱抗震性能是保证工程服役能力的重要方法 本文建立了端部设置不同加劲肋形式的方钢管混凝土柱有限元模型通过试验验证了有限元模型的可靠性 利用验证后的模型分析加劲肋的形式、高度、宽度对柱体抗震性能的影响提出柱端设肋试件的水平承载力计算方法 研究结果表明:柱端设肋试件的破坏形态随着加劲肋高度的增加由肋顶截面破坏转为柱底破坏在柱端设肋能有效提高试件的承载力和延性双肋和斜肋对试件承载力的提升相差不大且明显强于单肋单肋对钢材的利用率依次高于斜肋、双肋随着加劲肋高度和宽度的增加试件的极限承载力和延性显著提高水平承载力计算结果与有限元模拟结果、试验结果吻合较好达到量化控制水平承载力的目的关键词:方钢管混凝土柱 端部加劲肋 有限元 抗震性能 量化控制中图分类号:文献标识码:文章编号:()():().().第 期张秭文等:基于抗震性能的方钢管混凝土柱端加劲肋构造比较与计算:钢管混凝土结构因具有承载力高、韧性好、耗能能力强等优点而被广泛应用于实际工程研究发现方钢管对混凝土的套箍作用主要集中在柱角部位轴向荷载容易使钢管壁出现局部屈曲从而减弱钢管对核心混凝土的约束能力对柱体的承载能力造成不利影响为提高钢管对混凝土的约束作用改善钢管混凝土柱端过早出现局部屈曲带来的不利影响强化措施主要包括设置环向加劲肋、纵向加劲肋、斜拉加劲肋、约束拉杆、内配钢管以及螺旋箍筋等这些强化措施均能增强钢管与混凝土之间的粘结强度有效延缓钢管局部屈曲提高方钢管混凝土试件的承载力 等在方钢管混凝土柱端部设置约束拉杆结果表明约束拉杆能明显提高试件的延性和耗能能力 此外在柱端外部设置钢板或钢条约束也能有效延缓钢管的屈曲方钢管混凝土柱的抗震性能有明显提升 但上述两种强化措施在实际工程应用中的可操作性不强还影响建筑美观 为进一步改善构造措施张耀春等在钢管内部设置纵向加劲肋试验结果表明:与对边设肋试件相比四边设肋试件的极限承载力提升不大但具有更好的耗能能力和延性 值得注意的是在地震作用下方钢管混凝土柱主要在柱端发生鼓曲破坏 因此为同时提高试件抗震性能和钢材的利用率汪梦甫等在柱端内部设置纵向加劲肋(加劲肋高度为柱高的/)研究结果表明:相比于普通钢管混凝土柱柱端设置纵肋的方钢管混凝土柱的极限承载力明显提升且表现出更好的延性 等在方钢管内端部设置斜拉肋和圆肋进行拟静力试验试验结果表明设置斜拉肋和圆肋可使试件的承载力和延性明显提升试件的滞回曲线也更为饱满表明试件具有较强的耗能能力从定性角度分析加劲肋的构造设计能明显改善钢管壁局部屈曲有效提升方钢管混凝土柱的承载力和延性 但是加劲肋的高度、宽度等参数对方钢管混凝土柱抗震性能影响的定量研究较少现有规范中加劲肋设置的构造算法和技术要求尚有缺乏 因此为进一步探索端部设置加劲肋对方钢管混凝土柱抗震性能的影响本文参照张耀春和 等的试件建立端部设置加劲肋的方钢管混凝土柱有限元模型以加劲肋的类型、高度、宽度为参数对柱体在往复荷载作用下的破坏形态和抗震性能进行分析提出柱脚构造设计方法和端部设肋方钢管混凝土柱的水平承载力计算方法实现量化控制端部设肋试件抗震性能的目的为方钢管混凝土柱的抗震构造设计和相关规范修订提供参考依据 试验设计张耀春等制作了 个方钢管混凝土柱试件在试件的对边和四边通长设肋研究轴压比和加劲肋的布置方式对抗震性能的影响 等制作了 个方钢管混凝土柱试件通过在柱端设置高度为一倍柱宽的斜肋和圆肋研究轴压比、宽厚比和加劲肋的布置方式对抗震性能的影响 试件尺寸如图 所示试件参数见表 钢材的材料力学性能见表 混凝土的立方体抗压强度分别为.(a)?(b)?(c)?(d)?12004003008002002001200400300800200200695270270695270270270270图 试件示意/但上述文献并未探讨加劲肋的高度、宽度等因素对抗震性能的影响 为定量化研究加劲肋对方钢管混凝土柱抗震性能的影响本文参考上述文献的试件对端部设置加劲肋的方钢管混凝土柱进行有限元数值模拟参数分析 土木工程与管理学报 年表 试件参数试件宽度厚度高度/加劲肋高度/加劲肋厚度/轴压比.表 钢材材料力学性能参数厚度/屈服强度/极限强度/弹性模量/数值.有限元数值模拟.有限元模型建立与试验研究相比有限元数值分析具有分析速度快、研究经费少以及研究范围广等优点 因此本文以图 所示试件为例利用有限元软件 对端部设置加劲肋的方钢管混凝土柱进行有限元数值分析 图 为方钢管混凝土柱有限元模型 模型包括核心混凝土、钢管、加劲肋及加载板(a)?(b)?(c)?图 方钢管混凝土柱有限元模型.材料本构关系钢材应力应变曲线采用五段式弹塑性模型泊松比设置为.其他力学性能均采用试验实测值见表 核心混凝土的应力 应变关系采用蔡健等提出的混凝土本构模型泊松比设置为.该模型采用的混凝土轴心抗压强度由试验测得的混凝土立方体抗压强度 转换而来.混凝土强度等级 及以下取.取.中间按线性规律变化取值混凝土强度等级 及以下取.取 .中间按线性规律变化取值.单元类型及接触设置钢管和加劲肋采用四节点 壳单元核心混凝土和加载板采用 单元进行建模并且通过尝试使用不同尺寸的网格来确定合适的网格最终网格尺寸确定为柱边长的/钢管与混凝土之间的接触包含切向行为和法向行为 切向行为采用库仑摩擦模型摩擦系数取值范围在.本文取值.法向行为采用硬接触 加劲肋和核心混凝土之间采用嵌入接触 加载板与钢管之间采用壳与实体耦合约束与混凝土之间采用硬接触.边界条件和加载方式选择柱两端加载板建立柱端约束:下底板为固定端上底板为自由端 加载分两步进行:第一个分析步在柱顶施加轴力第二个分析步在柱顶以位移加载方式施加横向往复荷载如图 所示Step图 位移加载制度 有限元模型验证.荷载 位移曲线将选取部分试验实测的荷载 位移()曲线与有限元模型计算的 曲线进行比较如图 曲线反映了方钢管混凝土柱的刚度、极限承载力、极限位移和延性等基本信息与试验结果吻合情况较好.破坏形态为进一步验证有限元模型 以试件 和 第 期张秭文等:基于抗震性能的方钢管混凝土柱端加劲肋构造比较与计算?/kN10050050100-?/mm-40-2002040?/kN10050050100-?/kN10050050100-?/kN10050050100-?10050050100-?/kN10050050100-?/kN3002001000100200-300?/kN3002001000100200-300?/kN?/mm-40-2002040?/mm-40-2002040?/mm-40-2002040?/mm-40-2002040?/mm-40-2002040?/mm-50-2502550?/mm-50-25025503002001000100200-300?/kN3002001000100200-300?/kN3002001000100200-300?/kN?/mm-50-2502550?/mm-50-2502550?/mm-50-2502550?(a)C4N3(b)C4N4(c)C4N5(d)C2N3(e)C2N4(f)C2N5(g)SU-100-0.4(h)SR-80-0.4(i)SR-100-0.4(j)SR-120-0.4(k)SL-100-0.4图 荷载 位移曲线.为例对比了试验试件破坏形态与有限元模型破坏形态如图 试件 破坏时无肋面板出现波长为柱宽的屈曲波而带肋面板上的屈曲波波长为/柱宽随着屈曲发展受压面板上的屈曲波数量逐渐增加 试件.破坏时端部对角肋限制了钢管壁屈曲受压面板上的屈曲波波长为/柱宽 从图 可知有限元模型的破坏形态与试验试件的破坏形态一致 通过对比荷载 位移曲线和破坏形态验证了有限元模型的合理性和准确性可以利用本文建立的有限元模型进行参数拓展分析(a)C2N5?(b)C2N5?图 破坏形态对比 参数分析为定量研究加劲肋对方钢管混凝土柱抗震性能的影响以轴压比()、加劲肋形式、高度()、宽度(加劲肋截面长边尺寸)为参数建立端部设置加劲肋方钢管混凝土柱的有限元模型分析(a)SR-120-0.4?(b)SR-120-0.4?图 .破坏形态对比加劲肋对其影响规律 鉴于张耀春和 等的模型尺寸参数以及实际工程应用的需求模型截面取 .()混凝土强度为 钢材屈服强度为.模型尺寸如图 所示试件设计参数见表?1500270270?(a)?(b)?(c)?bt图 有限元模型示意/.破坏形态加劲肋对破坏形态的影响规律一致图 列出了 种破坏形态 如图 所示普通方钢管混 土木工程与管理学报 年表 有限元模型参数序号编号加劲肋高度/加劲肋宽度/加劲肋形式轴压比序号编号加劲肋高度/加劲肋宽度/加劲肋形式轴压比.双肋.双肋.双肋.单肋.双肋.单肋.双肋.单肋.双肋.单肋.双肋.单肋.双肋.单肋.双肋.单肋.双肋.单肋.双肋.单肋.斜肋.单肋.斜肋.单肋.斜肋.单肋.斜肋.单肋.斜肋.单肋.斜肋.单肋.斜肋.单肋.斜肋.双肋.斜肋.双肋.斜肋.双肋.斜肋.双肋.斜肋.双肋.斜肋.凝土柱破坏时于柱底呈灯笼状向外凸起形成塑性铰在受压面板上形成波长为柱宽的屈曲波 这是因为方钢管对混凝土的约束作用主要集中在柱(a)?(b)?(c)?图 试件破坏形态角处钢管壁容易屈服 如图 所示试件端部设置加劲肋后塑性铰上移至加劲肋顶端 这是因为试件在加劲肋顶端具有较大的刚度突变致使该截面上应力集中出现局部屈曲而破坏在截面上方形成屈曲波波长为柱宽 如图 所示加劲肋达到一定高度试件具有良好的整体性于试件底部形成塑性铰 不同的是试件底部由于加劲肋的约束屈曲波波长为柱角与加劲肋之间的距离.轴压比无肋试件和 种加劲肋形式的试件在不同轴压比(.和.)下的骨架曲线如图 骨架曲线的相应特征值见表 结合图 和表 可知无肋试件和 种加劲肋形式的试件随着轴压比从.增加到.峰值荷载 分别降低了.和=67.5 mm=1500bHmm?15010050050100150-?/kN15010050050100150-?/kN20015010050050100150200-20015010050050100150200-?/kN?/kN-80-4004080?/mm-80-4004080?/mm-80-4004080?/mm-80-4004080?/mm(a)?(b)?(c)?(d)?=67.5=1500bHmmmm?bH=90=1500mmmm?0.20.30.50.70.20.30.50.70.20.30.50.70.20.30.50.7图 不同轴压比下的骨架曲线 第 期张秭文等:基于抗震性能的方钢管混凝土柱端加劲肋构造比较与计算表 骨架曲线特征值加劲肋形式轴压比峰值荷载/屈服位移/峰值位移/延性系数无肋.单肋.双肋.斜肋.峰值位移也明显降低延性系数 分别降低了.和.这是因为在压弯荷载下轴压比越大轴力引起的 效应越大试件在压弯变形后越难以稳定从而导致延性变差 值得注意的是无肋试件的延性系数下降最为显著可见设置加劲肋能够有效提升试件的延性.加劲肋形式加劲肋形式有单肋、双肋以及斜肋 在不同轴压比作用下 种加劲肋形式对试件抗震性能的影响规律基本一致 在小轴压比(.)情况下试件都具有较好的延性因此需分析轴压比为.的 种加劲肋形式对试件抗震性能的影响 在轴压比达到.加劲肋高度为 的条件下(单肋和双肋的宽度为.该宽度为试件截面边长的/且双肋与斜肋的含钢率基本相同)无肋试件与 种加劲肋形式试件的承载力曲线如图 骨架曲线特征值见表 15010050050100150-40-30-20-100102030401401301201101001.00.80.60.40.20?/kN?/mm(a)?(b)?(c)?/kN?/mm-40-30-20-10010203040?=1500 mm,Hn=0.5?=1500 mm,Hn=0.5=1500 mm,Hn=0.5图 不同加劲肋形式的承载力曲线表 骨架曲线特征值加劲肋形式峰值荷载/屈服位移/峰值位移/延性系数无肋.单肋.双肋.斜肋.结合图 和表 可知设置加劲肋能有效提高试件的极限水平承载力 相比于无肋试件种加劲肋形式试件的峰值荷载 分别提高了.延性系数 分别提高了.刚度退化得到有效延缓试件的峰值位移也有明显提升 这是因为设置加劲肋有效限制了钢管壁的局部屈曲增强了钢管对混凝土的约束使钢管混凝土组合截面的抗弯刚度得到明显的提高 此外值得注意的是在 种加劲肋形式中双肋和斜肋对试件水平承载力的提升相差不大但明显强于单肋且双肋比斜肋具有更好的延性并表现出更好的抗侧移刚度以无肋试件的峰值荷载和钢材截面积为标准分别表示出设置 种加劲肋形式试件的相对峰值荷载和相对钢材截面积并定义相对峰值荷载和相对钢材截面积的比值为钢材利用率结果见表 种加劲肋形式中单肋的钢材利用率最高其次为斜肋双肋的钢材利用率最低表 钢材利用率加劲肋形式峰值荷载/相对峰值荷载相对钢材截面积钢材利用率无肋.单肋.双肋.斜肋.加劲肋高度加劲肋高度选取 土木工程与管理学报 年 种加劲肋形式在 种不同加劲肋高度下的骨架曲线见图 不同加劲肋高度的极限水平承载力见图 不同加劲肋高度的延性系数见图 结合图 可知随着加劲肋高度的增加试件的极限承载力明显提升骨架曲线下降段变得更为平缓表现出更好的延性特性 在轴压比为.时斜肋的高度达到 后试件的极限承载力不再随着加劲肋高度的增加而增加单肋和双肋的高度达到 后试件的极限承载力亦逐步趋于稳定 在轴压比为.时单肋、双肋和斜肋的高度达到 后试件的极限承载力不再有明显提升由图 可知 种加劲肋形式试件的延性系数的变化规律与极限承载力的变化规律基本一致 区别是:轴压比为.时单肋的高度达到 时试件的延性系数逐步趋于稳定斜肋的高度需要达到 后试件的延性系数才逐步趋于稳定不再随着加劲肋高度的增加而增加此外.节中破坏形态的变化规律与延性系数的变化规律一致:在轴压比为.时单肋的高度达到 后试件的破坏形态由肋顶破坏转为柱底破坏双肋和斜肋的高度达到 后试件的破坏形态由肋顶破坏转为柱底破坏在轴压比达到.时单肋、双肋和斜肋的高度达到 后试件的破坏形态由肋顶破坏转为柱底破坏15010050050100150-?/kN15010050050100150-?/kN15010050050100150-?/kN-40-2002040?/mm-40-2002040?/mm-40-2002040?/mm0270 mm5407501500mmmmmm=67.5 mm,bn=0.5?bn=67.5 mm,=0.5?n=0.5?0270 mm5407501500mmmmmm0270 mm5407501500mmmmmm图 不同加劲肋高度的骨架曲线18016014012010016014012010080?/kN?/kN040080012001600?/mm040080012001600?/mm?(a)=0.3n(b)=0.5n图 不同加劲肋高度的极限承载力?6.56.05.55.04.54.04.03.53.02.5?040080012001600?/mm04008001200 1600?/mm(a)=0.3n(b)=0.5n?图 不同加劲肋高度的延性系数.加劲肋宽度图 对比了加劲肋宽度为.的骨架曲线由图 可知加劲肋宽度从 增加到 单肋和双肋试件的水平承载力分别增加了.但当加劲肋宽度达到.(试件宽度的/)后试件的承载力和延性不再有明显提升20015010050050100150-200?/kN20015010050050100150-200?/kN205467.590mmmmmmmm205467.590mmmmmmmm-4004080?/mm-80-4004080?/mmHn=?750 mm,=3Hn=?750 mm,=3图 不同加劲肋宽度的骨架曲线 水平承载力计算方法.承载力公式推导目前国内外的钢管混凝土结构设计理论趋于成熟但柱端加劲肋设置的计算方法和构造要求还不十分完善 福建省工程建设地方标准/钢管混凝土结构技术规程提出的承载力计算方法如式()():()()式中:()对于矩形钢管混凝土.第 期张秭文等:基于抗震性能的方钢管混凝土柱端加劲肋构造比较与计算 为钢管混凝土套箍系数 /()、分别为轴向承载力和受弯承载力 ()其中 为试验中所施加的轴力为方钢管混凝土压弯构件的极限弯矩 为方钢管混凝土压弯构件的极限弯矩 为钢材屈服强度为钢管横截面面积为核心混凝土横截面面积 是截面抗弯塑性发展系数 是钢管混凝土组合轴压强度设计值为纵向加劲肋的截面抵抗距为截面抗弯模量 .(.)(.)()/上述公式在考虑加劲肋对受弯承载力 的影响时仅考虑了加劲肋宽度()、厚度()和数量(和中和轴平行的每条钢管边上的纵向加劲肋数目)的影响对加劲肋高度()没有明确要求 参考上述公式和韩林海的方法修正设置不同加劲肋高度构件的受弯承载力 提出了端部设置加劲肋方钢管混凝土柱的水平承载力计算方法如式()():()()(./)/()式中:.(/).(/).结合第 节中加劲肋形式、高度和宽度的变化规律在设置加劲肋时选取合适的加劲肋形式、高度和宽度即可优化柱端加劲肋的设计在达到承载力要求的情况下提高钢材的利用率.承载力模拟值与计算值对比表 为端部带肋方钢管混凝土柱的承载力模拟值与计算值比较图 为模拟承载力与计算承载力比较 由表 和图 可知水平承载力和极限弯矩的模拟值与计算值之比分别为.和.其标准差分别为.和.变异系数分别为.和.且偏差绝大多数在 以内表明本文所推导的公式具有较高的计算精度.承载力试验值与计算值对比表 为端部带肋方钢管混凝土柱的承载力试验值与计算值比较 由表可知水平承载力试验值与计算值之比的平均值为.标准差为.变异系数为.表明由式()()得到的计算值与试验值吻合较好进一步验证了本文所推导的公式具有较高的计算精度表 端部带肋方钢管混凝土柱的承载力模拟值与计算值比较试件水平承载力模拟值/水平承载力计算值/极限弯矩模拟值/极限弯矩计算值/.土木工程与管理学报 年 续表 试件水平承载力模拟值/水平承载力计算值/极限弯矩模拟值/极限弯矩计算值/.平均值标准差变异系数.Py,c/kNMy,c/kN.mMy,s/kN.mPy,s/kN图 模拟承载力与计算承载力比较表 端部带肋方钢管混凝土柱的承载力试验值与计算值比较试件水平承载力试验值/水平承载力计算值/.平均值.标准差.变异系数.结 论本文基于试验验证的有限元模型研究了不同轴压比条件下加劲肋的形式、高度、宽度等参数对方钢管混凝土柱抗震性能的影响 主要研究结论如下:()本文采用有限元模拟方法得到的试件破坏形态、骨架曲线等结果与试验结果吻合较好验证了本文建立的有限元模型的合理性和准确性为参数分析提供了基础()端部设置加劲肋的方钢管混凝土柱的破坏形态随着加劲肋高度的增加可分为肋顶截面破坏、柱底破坏()与普通方钢管混凝土柱相比在柱端设置加劲肋能有效限制钢管壁的局部屈曲增强钢管对混凝土的约束提高钢管混凝土柱的延性在三种加劲肋形式中双肋和斜肋对试件水平承载力的提升相差不大但明显强于单肋且双肋具有更好的延性随着端部加劲肋高度和宽度的增加试件的极限承载力、延性显著提高当加劲肋高度和宽度达到一定程度后试件的承载力和延性不再有明显提升()根据试验和模拟结果提出了端部设置 第 期张秭文等:基于抗震性能的方钢管混凝土柱端加劲肋构造比较与计算加劲肋的方钢管混凝土柱的水平承载力计算方法 计算结果与模拟结果、试验结果吻合较好实现了量化控制端部设置加劲肋方钢管混凝土柱的水平承载力的目的 结合加劲肋形式、高度和宽度的变化规律即可优化柱端加劲肋的设计在达到承载力要求的情况下提高钢材的利用率参考文献 韩林海.钢管混凝土结构 理论与实践.版.北京:科学出版社:.刘向东 管文强 杜国锋.冲击荷载下矩形钢管混凝土柱 钢梁节点受力性能数值模拟.桂林理工大学学报 ():.赵福超 马坤 蔡少熳 等.钢管复合骨料混凝土轴压短柱承载能力.土木工程与管理学报():.廖 恒 吴方红 李 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