钢骨混凝土柱-钢梁组合框架非线性有限元分析.pdf

2 0 四川建筑科 学研 究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 第 3 9卷第 6期 2 0 1 3年 1 2月 钢骨混凝土柱一 钢梁组合框架非线性有限元分析 李奉阁 ， 赵 燕 ， 赵根 田 ( 1 ．内蒙古科技大学建筑与土木工程学院， 内蒙古 包头0 1 4 0 1 0； 2 ． 包头市建设工程施工图审查中心， 内蒙古 包头0 1 4 0 3 0 ) 摘要： 为了对钢骨混凝土组合框架结构的抗震性能进行深入研究 ， 基于钢骨混凝土柱一 钢梁组合框架低周反复荷 载试验结果， 采用 O p e n S e e s 有限元程序对组合框架进行了非线性有限元分析， 计算结果与试验结果吻合较好， 表明 本文所采用的材料本构关系及有限元分析模型能准确反映组合框架结构的受力性能。在此基础上研究了轴压力 系数、 混凝土强度等级、 含钢率等对钢骨混凝土组合框架抗震性能的影响。 关键词： 钢骨混凝土组合框架； 抗震性能； 轴压力系数 中图分类号： T U 3 2 3 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 8—1 9 3 3 ( 2 0 1 3 ) 0 6— 0 2 0— 0 4 No n l i n e a r fin i t e e l e m e nt a na l y s i s o f m i x e d f r a m e wi t h S RC c o l u mn s a n d s t e e l b e a m L I Fe n g g e ， ZHAO Ya n ， ZHAO Ge n t i a n ( 1 ． A r c h i t e c t u r e a n d C i v i l E n g i n e e r i n g S c h o o l ， U S T I n n e r M o n g o l i a ， B a o t o u 0 1 4 0 1 0， C h i n a ； 2 ． B a o t o u C o n s t r u c t i o n P l a n E x a m i n a t i o n C e n t r e ， B a o t o u 0 1 4 0 3 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Ba s e d o n t h e l o w - c y c l e r e v e r s e d t e s t r e s u l t s o f mi x e d f r a me wi t h S RC c o l u mn s a n d s t e e l b e am ， t h e fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s mo d e l we r e e s t a b l i s h e d u s i n g Op e n S e e s s o f t w a r e t o f u ~h e r s t u d y t h e s e i s mi c b e h a v i o r s t h e mi x e d f r a me ． T h e a n a l y s i s r e s u l t s a g r e e w e l l w i t h t h e t e s t r e s u l t s ， i n d i c a t i n g t h a t t h e n o n l i n e a r fi n i t e e l e me n t mo d e l s we r e a g o o d s i mu l a t i o n o f mi x e d f r a me s wi t h S R C c o l u mn s ． I n a d d i t i o n， t h e e f f e c t s o f t h e a x i al c o mp r e s s i o n r a t i o a n d c o n c r e t e s t r e n g t h gra d e a n d s t e e l r a t i o o n t h e s e i s mi c b e h a v i o rs o f mi x e d f r a me s w i t h S R C c o l u mn s a r e s t u d i e d ． Ke y wo r d s ： mi x e d f r a me s wi t h S RC c o l u mn s ； s e i s mi c b e h a v i o r s ； ax i a l c o mp r e s s i o n r a t i o 0 引 言 近年来 国内外学者对钢骨混凝土构件 ( 柱 、 梁、 节点) 抗震性能 的研 究 已取得一系列成果 ， 但对于 钢骨混凝土整体结构的抗震性能的试验研究和理论 分析还较少⋯ 。为在理论 上进 一步研究钢 骨混凝 土组合框架的抗震性能 ， 本文采用 O p e n S e e s 有 限元 程序对文献 [ 2 ] 中的两榀钢骨柱一 钢梁组合框架试 件进行 了非线性有限元分析 ， 并研究了轴压力系数 、 混凝土强度等级 、 含钢率等对组合框架抗震性能 的 影响。 1 试验概况 为了对钢骨混凝土柱一 钢梁组合框架的抗震性 能进行研究， 文献[ 2 ] 进行了两榀单层单跨组合框 收稿 日期 ： 2 0 1 2 ~5 — 1 5 作者简介： 李奉阁( 1 9 7 1 一 ) ， 男， 副教授， 研究方向为结构抗震。 E —ma i l ： l f g 06 2 6 @ s o h u ． c o n 架结构的低周反复荷载试验 ， 试件的几何尺寸 、 钢骨 设置及配筋情况如 图 1～2所示 。混凝土设计强度 等级为 C 5 0， 纵筋 用 4 4 ) 1 2 ， 纵筋 保 护层 厚度 为 1 5 mm， 箍筋用 西 6 @1 0 0， 柱钢骨采用 I l O工字钢 ， 钢梁 采用 I 2 0工字钢 ， 柱钢骨和钢梁均为 Q 2 3 5钢 。钢梁 与柱钢骨 的节 点采用 对 接焊接 连接 ， 试 件编 号为 SRC1、 SRC2 6 0 0： l 5 0 0 ： 6 0 0 图1试件尺寸 Fi g ． 1 S p e c i me n s i z e + _ _ — — —} 图2型钢混凝土柱截面 F i g ． 2 S RC c o l u m n s e c t i o n 2有限元分析模型 2 ． 1 混凝土材料模型 混凝土材料采用 O p e n S e e s 程序中提供 的 C o n — 李奉阁， 等： 钢骨混凝土柱一 钢梁组合框架非线性有限元分析 2 1 c r e t e 0 2材料模型模拟， 其单轴应力一 应变关系表达 式采用 K e n t — S c o t t — P a r k混凝 土模型【 3 j ， 混凝土受 压 时的本构关 系曲线如图 3所示 ， 表达式如下 ： 时 = [ 等一 ] ( 1 ) 占 0≤s≤s 时 = [ 1一Z ( 一 0 ) ] ≥0 ． 2 ( 2 ) 图 3 混凝土应力一 应变 关系 Fi g ． 3 S t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p o f c o n c r e t e 在重复荷载作用下 ， 受压混凝土卸载和再加载 应力路径按式( 3 ) 、 式 ( 4 ) 计算 ： 8 r 2时8 p：0 ．7 0 7 f 8 L r 一 2 1 + 0 ． 8 3 4( 4 ) O 8O 、8O ／ 式 中， 为混凝 土达到最大应力 时对应 的应变 ， 取 占 。 =0 ． 0 0 2 ； 为混凝土极 限压 应变 ， = 0 ． 0 0 8 ； 为混凝土棱柱体抗压强度 ， 取平均值 =3 5 MP a ； k 为混凝 土强度增大系数 ， 取 k=1 ． 0 ； 为受压混 凝 土从骨架线开始卸载时的应变 ； 为卸载到零应点 时 的残余应变。 2 ． 2钢材材料模型 钢材本构模 型本文分析中 ， 钢筋及 型钢 的本构 模型采用 O p e n S e e s程序 中的 S t e e l 0 2模 型， 其单 轴 应力一 应变关系采用 G i u f f r e - M e n e g o t t o - P i n t o模型 ， 其应力一 应变关系曲线如图 4所示 ， 计算 中不考虑钢 筋的强化， 钢材的弹性模量及屈服强度采用实测值， 见表 1 。 d ／ | ／ ’ 2 ／ 图4 钢材应力一 应变关系 Fi g ． 4 S t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p o f s t e e l 表 1 钢材物理参数实测值 T a b l e 1 P h y s i c a l p a r a m e t e r s me a s u r e d v a l u e o f s t e e l 2 ． 3 单元模型 本文采用 O p e n S e e s程序 中 D i s p l a c e me n t — B a s e d B e a m— C o l u m n单元模拟型钢混凝土柱和钢梁。D i s — p l a c e m e n t ． B a s e d B e a m． C o l u m n单元是基于纤维模型 的非线性单元， 纤维模型的主要思路是将拟分析的 截面离散化为若干个纤维， 在平截面假定的基础上， 假定截面上每根纤维应变均匀 ， 处于单轴应力一 应变 状态 ， 再根据相应纤维材料的本构关系， 求得截面的 实际应力。在分析中梁、 柱的截面划分为若干纤维。 2 ． 4 荷载控制 与试验时的加载过程相同， 有 限元分析时荷载 施加分竖向荷载和水平荷载两步进行 ， 首先分步施 加竖向荷载， 荷载步为 1 0时 ， 然后逐级施加水平荷 载， 水平荷载采用位移控制。文中滞 回曲线是通过 施加往复水平荷载得到的 ， 骨架 曲线是通过施加水 平单调递增荷载得到的。 3 有限元计算与试验结果的比较 滞 回曲线的对 比结果如图 5～ 6所示 ， 骨架曲线 的对 比结果如图 7～ 8所示 。 l l l —— 试验结果 ⋯ 计 算结果 ； ^ ’ 一． H m f 盘 。 啮}麴 缀 ／ ， L 1 臻 ^ ‘ z’． 一 c ’ 图5 S R C 1计算与实测滞回曲线比较 Fi g ． 5 Co mp a r i s o n o f l o a d - d i s p l a c e me n t h y s t e r e t i c c u r v e s b y e x p e rime n t a n d a n a l y s i s f o r S RC1 从分析结果可以看出， 有限元分析得到的最大 承载力为 2 6 7 k N， 与 S R 1的试 验结果 2 5 3 ． 4 k N和 S R 2的试 验结 果 2 4 8 ． 6 k N误 差 分 别 为 5 ． 3 ％ 和 7 ． 4 ％， 吻合较好。但达到最大荷载前， 计算分析的 刚度较试验值大， 分析原因主要是由于钢骨柱与地 2 2 四川建筑科学研究 第 3 9卷 l l I —— 试 验结果 彩 ⋯ 计 算 结 ： ： 7 ／ ．， } ， ，／ ! ， ／ ● ．8 O 一 6 O 一 40 — 2 0 0 20 4O 6 O 8 O ／ mm 图6 S R C 2计算与实测滞回曲线比较 Fi g ． 6 Co mp a r i s o n o f l o a d - d i s p l a c e me n t h y s t e r e t i c c u r v e s b y e x p e r i me n t a n d a n a l y s i s f o r S RC2 ，‘一、 -● ／ ＼ 、 ／／ ＼ ，～ | ， l{ !} y 0 1 0 2 O 3 0 40 5 0 4 ， mm 图7 S R C 1计算与实测骨架曲线比较 F i g ． 7 Co mp a ris o n o f l o a d - d i s p l a c e m e n t e n v e l o p c u r v e s b y e x p e rime n t a n d an a l y s i s f o r S RC1 ， ’ — 、 ／ 、 ＼＼ | { } { ——试 验 结 果 一 丌 异 禾 0 2 0 4 0 60 d ， I nr T 1 图 8 S R C 2计算与实测骨架曲线比较 Fi g ． 8 Co m p a r i s o n o f l o a d - di s p l a c e me n t e n v e l o p c ur v e s b y e x p e rime n t an d an a l y s i s f o r S RC2 梁 、 钢梁与钢骨柱的连接节点不是完全固接 ， 以及计 算 中材料强度为常数 ， 而试验试件的强度存在偏差 造成的。总体来看计算的滞回曲线和骨架曲线与试 验曲线吻合较好。 4 参数分析 为研究轴压力系数、 钢骨柱含钢率、 钢骨柱混凝 土强度等级等设计参数对组合框架抗震性能的影 响， 以试验试件为基础， 改变设计参数演变出3 个系 列的试件， 对其分别进行结构抗震性能的有限元分 析 。 4 ． 1 轴压力系数 为研究轴 压力系数对组合框架抗震性 能的影 响， 设计 了 6个试件 ， 试件 几何尺寸 、 柱 配筋及钢梁 同试验试件 ， 钢骨含钢率为 3 ． 5 ％ ， 混凝土强度等级 C 5 0， 钢骨 、 钢梁用工字钢均为 Q 2 3 5钢 ， 轴压力 系数 分别取 0 、 0 ． 2 、 0 ． 4 、 0 ． 6 、 0 ． 7 、 O ． 7 5 。计算得到的单 调递增水平荷载下的荷载一 顶点位移骨架 曲线如 图 9所示 ， 图 l 0～l 2给 出了轴 压力系数分别 为 0 ． 4、 0 ． 6和 0 ． 7 5时的滞回曲线。从图中可 以看出， 当轴 压力小于0 ． 2时， 随轴压力系数的增大， 组合框架的 极限承载力增大； 当轴压力系数大于0 ． 2时， 随轴压 力系数的增大， 组合框架极限承载力减小， 结构延性 变差， 特别是当轴压力系数大于0 ． 7时， 承载能力降 低较多， 骨架曲线下降段较徒， 试件达到极限荷载 后 ， 很快发生破坏 。轴压力 系数对结构弹性阶段 的 冈 0 度影响很／ J 、 。 图9 轴压力系数对骨架曲线的影响 Fi g ． 9 Th e i n fl u e n c e o f a x i a l c o mp r e s s i o n r a t i o o n t h e l o a d - dis p l a c e me n t e n v e l o p 2 O0 1 OO 堇 0 -1 0 0 2 0 0 硒 l 正 妒 f f 7 ， ，／ ／ ／ 1 ／ ／ ／ ／2 ， ，} | ． 毛 ，f／ 7~ r ／／ ／ ． ．6 0 ． 40． ． 2 0 0 20 4 0 6 0 d／mm 图 1 0 轴压力系数为 0 ． 4时滞回曲线 F i g ． 1 0 L o a d - d i s p l a c e me n t h y s t e r e t i c c u r v e s ( n=0 ． 4) 4 ． 2 混凝土强度影响 为研究混凝土强度对组合框架抗震性能的影 响， 设计了4 个试件， 试件几何尺寸 、 柱配筋及钢梁 同试验试件， 钢骨含钢率为 3 ． 5 ％， 钢骨、 钢梁用工 字钢均为 Q 2 3 5钢， 轴压力系数 n 为 0 ． 6 ， 混凝土强 度等级分别为 C 5 0 、 C 4 5 、 C 4 0 、 C 3 0 ， 计算得到的单调 姗 瑚 0 m 姗 枷 蚕 姗 瑚 啪 0 姗 瑚 0 李奉阁， 等： 钢骨混凝土柱— 钢梁组合框架非线性有限元分析 2 3 2 0 0 I O 0 蚤0 1 00 ．20 0 7 ， ‘ ，， ／ 5 ， ／ ／ 。 Z | ／ y／ 图 1 1 轴压力系数为 0 ． 6时滞回曲线 F i g ． 1 1 L o a d — d i s p l a c e me n t h y s t e r e t i c c u r v e s ( n： 0 ． 6 ) 20 0 1 0 0 蚕 0 -1 0 0 ．20 0 r＼ ／ ／ ／／ ／ ／ 、 ／ ， ， ／ } ，／ ／ ／ ／ ．7 ／ ／ ／ ●一 图 l 2 轴压力系数为0 ． 7 5时滞回曲线 F i g ． 1 2 L o a d - d i s p l a c e me n t h y s t e r e t i c c u r v e s ( n= 0 ． 7 5 ) 递增水平荷载下的荷载一 顶点位移骨架 曲线如图 l 3 所示。可见在其他条件不变 的情况下 ， 混凝土强度 等级提高， 试件的承载能力逐渐增大， 弹性阶段的刚 度略有增大， 当混凝土强度较低时， 曲线下降段较平 缓 。 图 1 3 混凝土强度等级对骨架曲线的影响 Fi g．1 3 The i n flue n ce of c o nc r e t e s t r e ngt h o n t he l o a d d i s p l a c e me n t e n v e l o p 4 ． 3 含钢量的影响 为研究含钢率对组合框架抗震性能的影响， 设 计了4 个试件， 试件几何尺寸、 柱配筋及钢梁同试验 试件 ， 钢骨 、 钢梁用 工字钢均为 Q 2 3 5钢 ， 轴压力 系 数 n 为 o ． 6 ， 混凝土强度等级为 c 5 o ， 钢骨含钢率分 别为 3 ． 5 ％ 、 5 ％ 、 7 ％、 1 0 ％ 。计算得到 的单调递增 水平荷载下 的荷载一 顶点位 移骨架 曲线 如图 1 4所 示。可见在其他条件不变的情况下， 随含钢率的增 大， 试件的承载能力略有提高， 曲线下降段较平缓。 图 1 4含钢 率对 骨架 曲线的影响 Fi g．1 4 The i nfl ue n c e of r a t i o o f c o r e s t e e l o n th e l o a d— di s pl ac e me nt e nv e l op 5 结 论 本文利用 O p e n S e e s 有限元程序对钢骨柱一 钢梁 组合框架进行非线性有 限元分析 ， 可 以得到如下结 论 。 1 ) 通过有限元分析结果与试验结 果的对 比， 表 明通过 O p e n S e e s 有限元程序进行钢骨混凝土组合 框架的非线性有限元分析是可行 的。 2 ) 轴压力系数小于 0 ． 2时， 组合框架的最大承 载力随轴压力系数 的增加而增大 ； 当轴压力系数 大 于 0 ． 2时 ， 随轴压力系数的增大， 框架最大承载力减 小， 达到最大承载力后承载力降低加快。 3 ) 随钢骨柱混凝土强度等级的提高， 组合框架 的最大承载力增大； 随含钢率的增加， 最大承载力略 有增加， 但结构延性得到改善。 参 考 文 献： [ 1 ] 薛伟辰 ， 胡翔． 钢骨混凝土框架滞回分析研究[ J ] ． 地震工程 与工程 振动 ， 2 0 0 5 ( 6 )： 7 6 ． 8 0 ． [ 2 ] 李奉 阁 ， 赵根 田． 钢骨混凝土组合框架抗震性能研 究 [ J ] ． 工业 建筑 ， 2 0 1 0 ( 9 ) ： 1 1 1 — 1 1 4 ． [ 3 ] S i lv i a M a z z o n i ， F r a n k M c K e n n a ， e t a 1 ． O p e n S e e s C o m m a n d L a n — g u a g e M a n u a l [ M] ． P E E R， U n i v e r s i t y o f C a l i f o r n i a ， B e r k e l e y ， 2 0 0 7