蜂窝状钢骨混凝土T形柱抗震性能有限元分析.pdf

江苏建筑 2 0 1 2年第 6期( 总第 1 5 2期 ) 蜂窝状钢骨混凝土T 形柱抗震性能有限元分析 伏 晓 煜 ( 南 京凯 盛开 能环保 能 源有 限公 司 。 江 苏 南京 2 1 0 0 1 3 ) 摘 要1 利用大型有限元软件 A N S Y S对蜂窝状钢骨混凝土T形柱在低周反复荷栽作用下的抗震性能进行分析， 并考虑 不同轴压 力系数 、 剪跨 比、 体积配箍率、 钢骨开洞率等参数 对蜂 窝状钢 骨混凝土 T形柱的影响 。 分析结果表 明 ： 轴压力 系数 和 剪跨 比对试件 的延性有很大影响 ； 而体积配箍率对于提 高柱 子的延性 和承栽力有一定贡献 。 但不显著 ： 适 当的钢 骨腹板 开洞 率可以提 高试伴的延性和承栽能力。 关 键词1 蜂窝状钢骨混凝土； T形柱； 滞回性能； 延性； 有限元分析 【 中图分类号】 T U 3 5 2 1 1 【 文献标识码】 A 文章m - 1 o o 5 6 2 7 0 2 0 1 2 ) 0 6 0 o 2 7 0 4 Fi n i t e El e m e n t An a l y s i s o f Ho n e y c o mb S t e e l Re i n f o r c e d Co n c r e t e T S h a p e d Co l u mn Se i s mi c Be ha v i o r FU Xi a o -y u ( N a n j i n g K e s e n K e n e n E n v i r o n me n t E n e r g y C o ， L t d ， N a n j i n g J i a n g s u 2 1 0 0 1 3 C h i n a ) Ab s t r a c t ：T h e u s e o f l a r g e fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s s o f t ware ANS YS o n h o n e y c o mb s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e T s h a p e d c o l u mn u n d e r l o w c y c l i c l o a d i n g t h e s e i s mi c p e r f o r ma n c e a n aly s i s ， a n d c o n s i d e ri n g t h e a x i al p r e s s u r e c o e ffi c i e n t ，s h e a r s p a n r a t i o ，s t i r r u p r a t i o ，s t e e l r e i n f o r c e d o p e n i n g r a t e a n d o t h e r p ara me t e r s o f h o n e y c o mb s t e e l - r e i nfo r c e d c o n c r e t e T s h a p e d c o l u mn e ff e c t An a l y s i s r e s u l t s i n d i c a t e ： a x i al c o mp r e s s i o n r a t i o a n d s h e ar s pa n r a t i o o n t h e d u c t i l e h a s g r e a t i n flue n c e ；a n d v o l ume -s t i r r up r a t i o t o i mp r o v e t h e d u c t i l i t y a n d b e a r i n g c a - p a c i t y o f p o s t h a s a c e r t a i n c o n t ri b u t i o n ， b u t i s n o t r e mark a b l e ；a p p r o p ria t e s t e e l w e b o p e n i n g r a t e c a n b e e n - h a n c e t h e d u c t i l i t y a n d b e a r i n g c a p a c i t y o f c h e c k b a r Ke y wo r d s ：h o n e y c o mb S RC； T - s h a p e d c o l u mn ； h y s t e r e t i c b e h a v i o r ； d u c t i l i t y ； fi n i t e e l e me n t a n aly s i s 随着人们生活水平的提高对建筑空间和房屋净空的 要求也越来越 高。 钢筋混凝土异形柱肢厚 与墙厚相 同， 具有 消除房屋 四周 凸出的棱角 增加使用面积等优点 近年来 在 住宅建筑 中得 到广泛应用 国内也 已制定 了相应 的规范供 设计人员参考 但是钢筋混凝土异形柱 由于正截 面承载力 小的 因素 。 在建筑使用层数上受到了限制 。研究结果表 明。 钢骨混凝土柱 由于两种不 同性质材料 的扬长避短 具有 较 好 的承载力 和良好 的延性性 能。 因此 。 对该新型异形柱的受 力性能进行研究 具有重要理论意义与工程价值。 本文通过 大 型有限元 软件 A N S Y S详细分 析 了蜂 窝状 钢骨混 凝土 T 形柱在低周反 复荷载作用下 的滞 回特性 并研究 了轴压力 系数 、体积配箍率 和钢骨开洞率等 因素对其抗震性 能的影 响。 1非线性有 限元分析模型 的建立 1 1模 型设 计及材料选择 1 1 1混凝 土模 型 通常钢筋 混凝土结 构的有限元模 型主要有 3种方 式 ： 分离式 、 组合式 和整体式 。 而利用 A N S Y S分析时 ， 主要有分 离式和整体式 2种模型 【 n 。本文采用分离式模型 ：混凝 土 ( S O L I D 6 5 ) + 钢 骨 ( S O L I D 4 5 ) + 钢 筋 ( L I N K 8 ) ， 同时认 为三者 粘结很好 不 考虑粘结 和滑 移。 混凝土材料 的本构关 系可采 用 多 线 性 等 向 强 化 模 型 M I S O、多 线 性 随 动 强 化 模 型 MK I N、 D P模型等翻 。本文混凝土单轴 应力应变关系 的上升 段采用 G B 5 0 0 1 0 2 0 1 0规定 的公式 下降段则 采用美 国的 H o n g n e s t a d建议 的处理方法 ， 即【3 】 ： 上升段的表达式为 ： 当 s s 。 r “ 1 c r c l 1 一 f 1 一 亘 L 1 l ( 1 ) L 、 6 0J 下降段的表达式为 ： 当 0 8 8 【 收稿E t 1 1 2 0 1 2 - 0 5 2 8 【 作者简介】 伏 晓 煜 ， 南 京 凯 盛 开 能 环 保 能 源 有 限 公 司 ， 硕 士 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 江苏建筑 2 0 1 2年第 6期( 总第 1 5 2期 ) o -o=f 1 - O 1 S f 一8 e,- 8 o 1“ 】 (2 ) 按 照规 范计 算和 规定 可分别 求得 n = 2 、 e o - - o 0 0 2 、 = 0 0 0 3 3 上 述曲线可用一系列数据 点拟合以便输入 ， 图 1为 混凝 土的应 力应 变曲线 ： 圈 1 混凝 土的应 力应变 关系曲线 1 1 2 钢材模型 钢骨采用 A N S Y S提供的 S O UD 4 5实体单元 单元 本身 具有模拟材料塑性 、 蠕变 、 膨胀 、 应力强化 、 大变形 和大应变 能力。钢筋采用 UN K 8 单元来模拟纵筋和箍筋， 该单元是有 着广泛工程应用 的杆单元。 钢筋( 包括纵筋和箍筋 ) 和型钢的 应力应变曲线关系可采用理想弹塑性模型 为帮助收敛也可 采用具有强化 阶段的弹塑性模型。 本文采用双线性等向强化 模型 B I S O模型。钢筋应力应变关系曲线如 图 2 。 圈 2 钢材的应 力应变关 系曲线 1 2 模型建立步骤 1 2 1模 型设计 以实 验嗍 的试 件 为原型 ， 参 考 混凝 土结构 设计 规范 ( G B 5 0 0 1 0 -2 0 1 0 ) 中规 定 ： 钢筋 混凝 土框架 柱 的剪跨 比宜 大于 2 ； 柱截 面宽度与高度 的比值不宜 大于 3 。 钢筋混凝 土异形柱设计规程 ( D B J ， r l 5 5 9 5 ) 中规定 ： 现浇混凝 土 框架 柱结构 中的 T形和 L形截 面柱 的肢长与肢 宽之 比不 大 于 4 。 大于 4按 剪力墙计算 。 综上所述 。 为了更好的研究 T形截面钢骨混凝 土异 形柱的延性 设计试件 的剪跨 比在 2 3之 间 肢长与肢厚 比在 3 - 4之 间四 。设计蜂窝状钢骨混 凝土 T形柱模型 的截面如 图 3所示 。 I、 堕 塑 1 9 Q 1 1 日 I一 J 1 己口8 插 图 3 试件截面尺寸和配筋 文章采用 A P D L参数 化建模的方法建立蜂窝 状钢 骨混 凝土 T形柱 的有 限元模型如 图 4 。按照 L形 柱试 验中试件 的实际边界约束情况 。 在柱底施加全截面约束 ， 即 3个平动 自由度 X、 Y、 Z和 3 个转 动 自由度 。采用静力加 载方式 ， 首 先对柱施加均匀 面压力来模拟轴 向压力 采用此加载形式 能够保证轴 向荷载始终垂直柱顶平面 ：然后在柱顶施加循 环往复荷载 由于将水平荷载 直接施加在柱 头节 点会 出现 局部应 力集 中 导致模型不收敛运算提前结束 。 因此 在第二 个荷载步水平力施加之前 。对 柱顶所有 节点水平 加载方向 的平动 自由度进行耦合 。 这样在加载过程 中。 仅对耦合后 的 主节点施加荷载 通过这种方式对节点施加荷载可 以很好 的避免模型非正常 的不收敛 试件作用轴压力后施加水平低周反复荷载 ，荷载是 随 时间变化的 在荷载， 时间 曲线 上的每一 个“ 拐 角” 都应该作 为一个荷载步 荷载采用位移控制加载 。 圈 4 T形柱有 限元计算模型 图 5模型加载方式 2 结果分析 2 1 轴压力系数的影响 对于 钢筋混凝 土柱 ， 轴压 比 n = N If ,A ， 柱子 的轴力 全部 由混凝土承担 ： 而对钢骨混凝土柱 ， 轴力 由混凝土和钢骨共 同承担 ， 所以用轴压力系数表示 轴向荷载和承载力的关系 。 以示二者 区别 。当钢骨为零时 。轴压力系数就变成 了轴 压 比。在相 同情况下 ， 由于配置了钢骨 ， 混凝土部分承担 的轴 力相对 于混凝 土构件相应减小 选取 3个轴压力 系数分 别 为 n = 0 3 、 n - - 0 4 2 、 n = 0 5 2 。 建立有限元模 型 N l ， N 一 2 ， N一 3比 较有 限元模 型在不 同轴压 比作用 下 的滞 回曲线 和骨架 曲 线 如 图 6 。 图 7 。从图中可 以看 出， 屈 服前 期 3条曲线基本 重合 ， 相差不大 。 屈服后 。 轴压 力小 的试 件 ， 其骨架 曲线相对 较饱满 。 包含 的面积较大 。 耗能较好。 1 4 _ L_ 0一 L 1 ； 笠 l - 1 瑚 ,4 0 ， O ， _ l _ _ 一 一 一 王 | r ， ， | 4 1 0 一, 4 8 - W - 一 圈 6 a 试件 N一 1的滞回 曲线 圈 6 b试件 N - 2的滞 回曲线 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 江苏建筑 2 0 1 2年第 6期( 总第 1 5 2期 ) 2 4 钢骨腹板开洞率的影响 钢骨混凝 土结构是钢 与混凝土共 同组成 的组 合构件 在承载过程 中 钢骨与混 凝土通过 粘结力协 同工作 。 共 同受 力 。蜂窝状钢骨混凝土通过在钢骨腹板上开洞提高 了钢与 混凝土协调工作 的能力 。同时简化 了施工 ，增大 了经济利 益 。以基本试件 的参数为原型 ， 只改变钢骨 腹板 开洞 率 ， 其 余 参数不变 通 过 A N S Y S建立开洞 率分别 为 0 、 1 2 5 、 2 5 的 3种模型 K l 。 K 一 2 ， K 一 3进行有 限元 仿真分析 比较 ， 骨架曲线对 比如图 1 2 。 图 l 3 。 从 图中可 以看 出， 当开洞率从 O 增 加到 1 2 5 后 构件 的极 限承载力 由 1 8 5 6 3 4 k N增大 到 2 2 2 3 2 8 k N， 变形能 力增大 ， 下降段变缓 ， 破坏 位移变大 ， 耗能能力与延性上升。 当开洞率由 1 2 5 增加到 2 5 后 。 曲 线基本 重合 。 构件 的极 限承 载力降低 ， 下降段变 陡 ， 破 坏位 移变小 。 耗 能能力与延性下 降。 综上所述 。 在轴 压力系数 n = O - 3的情 况下 当钢 骨的开洞率在 l 2 5 时 ，相较 于其他 2 种情况具有更好 的延性和抗震性能 。 据此可以推测 。 当钢骨 开洞率在一定范 围内时 可 以有效 的提高钢骨混凝土 的延 性 和 耗 能 能 力 圃I 雳 A V ， l f f 1 & m 图 1 2 a 试件 K _ 1 的滞回 曲线 ( 开洞率 0 ) 叵圃 氇 l i 、 1 r一一 一_-_ - 图 1 2 b 试件 K - -2的滞 回曲线 ( 开洞率 1 2 5 ) 匮 7 王_一 一 ： ： l L ! L 一 图 1 3 不同腹板开洞率下有限元模型骨架曲线对比 3 结 语 通过对从有 限元仿真 中得到数 的据进行分析 可以发 现 ANS YS可 以较 为 成 功 的 模 拟 和 预 测 钢 骨 混 凝 土 异 形 柱 的滞回性 能 并能对钢骨混凝土异形柱 的复杂受 力机理进 行 合理模拟 。 同时 ， 在此基础上进一步对影响蜂窝状钢骨混 凝土 T形柱延性和抗震性能的因素 剪跨 比、轴压力系 数 、 开洞率 、 体积配箍率进行具 体分析对 比可以得到 以下结 论 ： ( 1 ) 轴压力 系数对 于蜂窝状钢骨混凝土 T形柱 的延性 具有很大的影响 ， 试件 的延性 随轴压力 系数 的增 大而降低 随轴压力系数的降低而增大 ； 同样 随着剪跨 比的增大 柱 的 延性明显提高 反之 明显 降低 。 ( 2 )增大体积配箍率对于提高试 件延性具有一定 的作 用 但不是非常显著。 ( 3 )开洞率作为蜂窝状钢 骨混 凝土异形柱 的独创 性分 析参数 对其延性具有很大的影响。 参考文献 【 1 】 朱伯 龙 ， 董振祥 钢 筋混凝 土非线性 分析【 M】 同济大学 出 版 社 1 9 8 5 【 2 1 陆新征 ， 江见鲸 利用 A NS YS S o l d 6 5单元分析 复杂应 力条件 下的混凝土结构 】 建筑结构， 2 0 0 3 ， 3 3 ( 6 ) ： 2 2 2 4 【 3 】 王新敏 A NS YS工程 结构数值分析 【 M】 北京： 人 民交通 出 版 社 2 0 0 7 【 4 】 郑廷银， 吴杏花， 苏明 ， 等 蜂 窝状钢骨 混凝土 T形截 面异 形柱 的正截 面受力性能分析 】 南京工业大学学报 ( 自然科 学版) ， 2 0 1 0 ， 3 2 ( 1 ) ： 1 2 1 8 江苏省土木建筑学会暨 江苏建筑 编辑部向支 持 学 会 的 学 术 交 流 s 科 技 普 及 s 会 刊 编 辑 出 版 的 土 木 工 程 与 建 筑 企 事 业 单 位 9 高 等 院 校 9兄 弟 学 会 表 示 衷 心 的 感 谢! 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m