高强混凝土加芯柱抗震性能模拟分析.pdf

第 4 2卷第 2期 2 0 1 1 年 2月 V0 1 4 2 No 2 F e b 2 Ol 1 建 筑 技 术 Ar c h i t e c t u r e T e c h n o l o g y 1 7 5 高强混凝土加芯柱抗震性能模拟分析 雷自学，董三升 ( 长安大学建筑工程学院 ， 7 1 0 0 6 1 ， 西安) 摘 要： 试件水平承载力随核心区纵筋面积 、 箍筋面积和核心区尺寸 的增大而线性递增 ； 极限位移角随箍筋 面积 的增加成正比增长 ， 只在较适中的一定范围内， 核心纵筋面积的增大才会提高试件的极限位移 角， 而核心区 面积对试件极限位移角无显著影响 ； 试件的极限位移角随轴压比 的增大成 反比下降 ， 而轴压比对试件水平承载 力无显著影响 。 关键词：高强混凝土 ； D D 芯柱 ； 模拟 ； 承载力 ； 极限位移 角； 延性 中图分 类 号 ： T U 5 2 8 文 献标 识 码 ： A 文 章 编号 ： 1 0 0 0 4 7 2 6 ( 2 0 1 1 ) 0 2 0 1 7 5 0 3 S I I ATI ON ANALYS I S OF S EI S M I C PERFORM ANCE OF m GH S TRENGTH CoNCRETE CoLI 厦NS W I TH CENTRAL RE oRCEM ENT L E I Z i x u e ，D0N G S a n s h e n g ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ，C h a n g a n U n i v e r s i t y ， 7 1 0 0 6 1 ， Xi a n， C h i n a ) Ab s t r a c t ：Th e h o riz o n t a l u l t i ma t e c a p a c i t y o f t h e s p e c i me n i s i n d i r e c t p r o p o r t i o n t o t h e l o n g i t u d i n a l r e i n f o r c e me n t a r e a a t t h e c o r e ， a r e a o f t i e s a n d d i me n s i o n o f c o r e ， b u t i n r e v e r s e p r o p o r t i o n t o t h e a x i a l c o mp r e s s i o n r a t i o ；t h e u l t i ma t e d i s p l a c e me n t a n g l e o f t he s pe c i me n i n c r e a s e s p r o p o r t i o n a l l y wi t h t h e i n c r e a s e i n t h e a r e a o f t i e s ，a n d o n l y i n a r a n g e o f mo d e r a t e a mo u n t ，t h e l o n git u d i n al r e i nfo r c e me n t are a a t t h e c o r e C an i n c r e ase t h e u l t i ma t e d i s p l a c e me n t a n g l e o f t h e s p e c i me n ；t h e d i me n s i o n o f c o r e h a s l i t t l e e ff e c t o n t h e d u c t i l i t y o f t h e s p e c i me n ，wh e r e a s t h e c o mp r e s s i o n r a t i o h as s l i g h t e ffe c t o n i t s h o riz o n t al c a p a c i t y Ke y wo r d s ： h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e ； c o l u mn wi t h c e n t r a l r e i n f o r c e me n t ； s i mu l a t i o n ； u l t i ma t e c a p a c i t y ； u l t i ma t e d i s p l a c e me n t a n g l e ；d u c t i l i t y 柱是框架结构的主要受力构件 ， 其抗震性能的优 劣将直接影响整个结构的工作性能 。 如何在保证承载 力 的前提下提高其抗 震延性 巳成 为土木工程领域 的 热 门课 题 。 一 些学 者对 普 通 混凝 土加 芯 框架 柱 的抗 震 性 能及 中心承 压 性能 进行 了试验 研 究 。结 果表 明 ： C C R 柱具有良好的延性和耗能能力 ， 核心配筋能 有效 提高普通钢 筋混凝 土柱 的中心受压承载力和弹性压 缩刚度 。 有效改善钢筋混凝土柱在高轴压比下的抗震 性 能 。 本文在文献4 研究工作的基础上， 采用计算机模拟 其每个试件的试验过程 ，并将模拟结果与实测结果进 行对比 ， 以验证模拟方法的可靠性。在此基础上， 改变 主要设计参数 ，研究其对高强混凝土加芯柱的强度和 延性 的影响 规律 。 1 分析模型 分析采用S e i s mo S t r u c t 有限元软件 ， 它能预测空间 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 0 1 1 8 基金项 目： 陕 西省自然科学基金项 目( 2 0 0 7 E 2 2 0 ) 作 者 简 介 ：雷 自学( 1 9 5 9 一) ， 男 ，陕 西 大 荔 人 ，副 教 授 ， e ma i l ： t h u n d e de i z i x u e 1 2 6c o rn 框架在动力荷载作用下的大变形工作性能 ，并可考虑 几何非线性和材料非线性。 为了进行分析计算 ， 首先确 定如下材料模型 。 1 1材料 模 型 主要材料包括混凝土和钢筋 ， 实际材料性能如表1 所列 ， 其理论模型如下。 表 1 试件设计参数 试件 井字复合 外围骨架 芯柱 纵筋配筋率 编号 箍 纵 筋 纵筋 边长 m m 核心纵筋 纵筋总和 L Cl 鹋 8 0 1 2 中1 0 钿b 2 0 8 O 201 3 5 2 L C一 2 q ) 8 1 l O 1 2 中l 0 4 虫2 0 8 0 2 Ol 35 2 L C一 3 中8 8 0 l 2 中1 0 4 口 2 5 8 O 3 1 4 4 6 5 L C_ 4 中8 8 0 1 2 中1 O 幻 ) 2 0 1 1 O 2 Ol 3 5 2 L C一 5 鹋 1 1 0 1 2 中1 0 4 虫2O 1 l O 2 01 3 5 2 L C一 6 中8 8 0 1 2 中l O 4 a 5 1 1 0 3 1 4 4 6 5 L C一 7 中8 1 1 0 1 2 中1 0 4 虫22 1 l O 2 4 3 3 9 4 1 1 1混 凝 土 模 型 混 凝 土 采 用 非 线 性 变 约 束 模 型 ， 它 首 先 由 Ma d a s 在 编 程 中所 建 议 5 】 。 其 本 构 关 系 由Ma n d e r 等 1 7 6 建筑技术 第 4 2卷第 2期 提 出 6 1 ， 反 复 加 载规 律 由Ma r t i n e z R u e d a及E l n a s h a i 提 出 ， 变约 束算 法 由M a d a s及 E l n a s h a i 提 出s l 。在 每 一 步分析 ， 根据横向约束钢筋的应变， 计算混凝土的横 向约束应 力 。 1 1 2钢 筋模型 钢筋 采用具有Mo n t i N u t i 塑性 屈 曲模 型 它首 先 由 Mo n t i 等人用于编程 ， 以考虑进入塑性后钢筋的屈曲 效应。其应力一 应变关系Me n e g o t t o和 P i n t o 提出 并 结合F i l i p p o u 等人研究成果的各向同性硬化规 0 1 ， 以 及Mo n t i和 N u t i 的屈 曲规 ” 1 。 而且 ， 该 模型还 采用 了 F r a g i a d a k i s 等人建议的存储规律【 】 2 1 ， 以保证在地震作用 下的高度数值稳定性和准确性。 1 2几 何尺寸 几何尺寸采用文献4 中的试件尺寸 ， 由图1 和表1 给 出。 图 1 试件设计示意 ( a ) 立面 ； ( b ) 1 - 1 剖面 外 围骨 架纵筋 芯 柱纵 筋 井 字 复合箍 1 3试件模 型 建模时假定柱试件在基座顶面固结 ，根据试件尺 寸及其材料特性 ， 可得其模型。 2 模拟结果及分析 2 1 模 拟结果 与实测结 果对 比 为进行分析比较 ，模拟了7 个试件的整个试验过 程 ， 得 出各试件 的理 论极 限承 载力和极 限位移 角 。 并与 实测结果比较 ， 汇总于表2 。从表2 可知， 模拟计算所得 承载力与实测值非常接近 ， 平均误差仅为0 8 7 ： 而最 大误差 也不超过2 1 6 ；极限位 移角平 均误 差为6 5 ： 最大误差为1 4 3 ( 不排除实测误差较大的可能 ) 。而 当箍筋较密时， 误差很小； 当箍筋间距较大时 误差较 表 2 各试件实测结果与理论分析结果比较 水平极限承载力P Jk N 极限位移角 柱号 实测 理论 差值 实测 理论 差值 I 一1 1 7 0 2 l 71 9 1 0 0 1 4 6 1 4 4 4 5 L C一 2 1 6 3 7 1 6 3 8 0 0 6 1 4 5 1 5 1 一l 1 8 LC一 3 1 8l _ 2 l 8 2 7 0 8 3 1 4 0 1 4 4 - 9 1 LI： 一 4 l 8 O 9 1 8 3 8 1 6 o 1 4 2 1 4 4 - 4 5 LC 一5 1 75 3 1 7 57 O 2 3 I ，47 1 5 1 - 7 8 LC 一 6 l 9 9 3 2o 3 6 2 1 6 1 3 9 1 4 o -2 5 I 一 7 1 8 3 O 1 8 4 7 O 9 3 l 4 2 l 9 1 4 3 平 均 0 8 7 - 6 5 大 ， 但一般都不超过1 0 。由此说明， 采用以上方法可 较准确地模拟实际柱的工作性能。 2 2主要影 响参数分 析 为定量 地研 究纵 筋面积 、 箍筋面 积 、 核心 区尺寸 及 轴压比对高强混凝土加芯柱抗震性能的影响规律 ， 首 先在试件L C 一 1 的基础上， 只改变纵筋面积 ， 并保持其 他因素不变 ， 得到承载力和极限位移角的变化规律 ， 分 别如图2 和图3 所示。从图2 可看出， 极限承载力随核心 纵筋配筋面积基本成正比增加。由图3 可见 ， 当核心纵 筋较小和较大时 ， 极限位移角基本保持不变 ， 只有在较 小范围内，极限位移角会随核心纵筋的增加线性增加 ( 注意图中纵坐标为极限位移角的倒数) 。但无论如何， 极 限位移角都不小于1 5 0 。说明当配置足够量的箍筋 后。 极限位移角总能满足规范要求。 1 1 I 至 1 1 1 1 1 51 图 2 极限水平力与核心区 图 3 极限位移角倒数与核心区 纵筋面积关系曲线 纵筋面积关 系曲线 为考察箍筋间距对承载力和延性的影响，在试件 L C 一 1 的基础上， 仅改变箍筋间距， 其他保持不变 ， 可得 出图4 和图5 关系曲线。 显然， 极限承载力和极限位移角 都随箍筋间距的增大而下降 ， 且下降规律呈线性关系。 由此说明， 箍筋的约束作用可提高混凝土的延性 忍时 也提高了纵筋的屈曲荷载 ，从而也提高了高强混凝土 加芯柱 的延性和承载力。 雷 自学 ， 等 ： 高 强 混凝 土 加 芯柱 抗 震 性能 模 拟分 析 图 4 极 限水平力与箍筋 间 距 关 系 曲线 8 1 O 1 2 1 4 Smm 图 5 极限位移角倒数与箍筋 间 距 关 系 曲 线 为研 究核 心区 面积 大小 的影响规 律 ， 在 L C 一 1 的基 础上 ， 仅 改变 核心 区尺 寸 ， 得 到 图6 和 图7 关 系 曲线 。显 然 ，极 限 承 载力 与核 心 区尺 寸 几 乎成 正 比增 长 关 系 ， 这是 因为 核 心 区面 积 越 大 ， 纵 筋 的 力 臂 也越 大 ， 从 而 抗 弯能 力也越 强 。 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 b cmm 图 6极 限 水 平 力 与 核 心 区 图 7极 限位 移 角 倒 数 与 尺寸关 系曲线 核 心区尺寸关 系曲线 从图7 可看出， 尽管极限位移角随核心区边长 的增 加有一定的增长趋势 ， 但增值很小 。 因此 ， 可以认为 ： 改 变核心区大小基本不影响柱的延性 。 为了研 究轴 压 比 的影 响 规 律 。 在 L C 一 1 的基 础 上 ， 仅改变竖向荷载大小 ， 得到图8 和 图9 关系曲线 。 从中 可看 出 ， 随着轴压比 的增大 ， 承载力略 有减小 ， 但 差 别很 小 ， 可忽略 不计 。由图9 可见 ， 轴 压比增大 明显降 低 了试 件的延性 ，因为极 限位 移角 随之增加成 正比下降 ， 因此， 在设计中要严格控制轴压比 ， 以保证柱有足够 的 延性 r 图 9 极限位移角倒数与 试验轴压 比关 系曲线 3结语 ( 1 )通过 正确模 拟混 凝土 和钢 筋的材料 性 能 ， 如 混凝 土在 约束状 态下 的工作 性能 和钢 筋在塑 性阶 段 的 屈曲特性， 并采用适当算法 ， 可得出与实测结果非常接 近的模拟结果。 ( 2 )试件的强度 随核心区纵筋面积成正比增长 ； 而仅在核心区纵筋面积适中的一较小范围内，其增长 会 导致极 限 位移 角线性 增长 ；而 当其量 值较 小或较 大 时， 其变化不会明显引起极限位移角的变化。 ( 3 )试件 的强度和极限位移角都随箍筋面积的增 长而线性增长 ， 因此 ， 增加箍筋面积是提高试件延性的 最 有效方 法 。 ( 4 )试件的强度 随核心区尺寸成正比增长 ， 但其 值基本不影响试件的极限位移角 ，即核心区面积大小 对 柱延性 影 响很小 。 ( 5 )极限位移 角随轴压比的增大线性递减 ， 但轴 压 比对承 载 力并 无显著 影响 。 参 考 文献 【 I 程丽荣 ， 钱稼茹 ， 范重 ， 等 核心配筋柱中心受压试验研究们 工程力 学 ， 2 0 0 0， 增Y l 3 0 ( 1 ) ： 5 7 9 5 8 4 【 2 】 郭军庆 ， 雷 自学 ， 陈鹏 郎 ， 等高轴压比下加芯混凝 土框架柱延性与 承载力试验研究J 】 建筑结构 学报， 2 0 0 8 ， 2 9 ( 4 ) ： 8 9 9 5 【 3 范 重 ， 钱稼茹 ， 吴学敏 核心配 筋柱 抗震性能试 验研究 J 】 建筑结 构学报 ， 2 0 0 1 ， 2 2 ( 1 ) ： 1 4 1 9 【4 】 雷 自学 ， 董 三升 ， 郭军庆等高强混凝土加芯柱抗 震性能试验研究 J 建筑结构学报 ， 2 0 1 0， 3 1 ( 1 2 ) ： 8 4 9 2 【 5 P Ma d a s A d v a n c e d Mo d e l l i n g o f C o m p o s i t e F r a me s S u b j e c t e d t o E a r t h q ua k e L o a d i n g ， P h D Th e s i s ， I mp e ria l Co l l e g e ， Un i v e r s i t y o f L o n d o n ，Lo n d o n ，UK ， 1 9 9 3 【 6 】 Ma n d e r J B ，P r i e s fl e y MJ N ，P a r k R Th e o r e t i c a l s t r e s s s t r a i n m o d e l f o r c o n f i n e d c o n c r e t e J 】 J o u mal o f S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g ， 1 9 8 8 ，1 1 4 ( 8 ) ： 1 8 0 4 - 1 8 2 6 【 7 】 Ma r t in e z R u e d a J E，E l n a s h ai AS C o n f i n e d c o n c r e t e mo d e l u n d e r c y c l i c l o a d J Ma t e ri a l s a n d S t ruc t u r e s ，1 9 9 7 ，3 0 ( 1 9 7 ) ：1 3 9 1 4 7 【 8 】 Ma d a s P a n d E l n a s h ai AS A n e w p a s s i v e c o n f i n e me n t m ode l f o r t r ans i e n t ana l y s i s o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t ruc t u res J 】 E a r t h q u a k e E n g i n e e rin g a nd S t r u c t u r al D y n a mi c s ，1 9 92 ，21 ：4 0 9 - - 4 31 【 9 J Mo n t i ，G ，N u t i ，C ，S ant i n i ， S C y c l i c R e s p o n s e o f U p g r a d e d S e e - t i o n s R R e por t N o 9 6 - 2 ，U n i v e r s i t y o f C h i e t i ，I t a l y ，1 9 9 6 【 1 0 】 F i l i p pou F C ，P o pov E P B e r t e r o V V Mode l l i n g o f C j o i n t s u n d e r c y c l i c e x c i t a t i o n s J A S C E J o u mal o f S t r u c t u r al E n g i n e e r - i n g ，1 9 8 3 ，1 0 9 ( 1 1 ) ： 2 6 6 6 - 2 6 8 4 1 1 Mo n t i G ，N u t i C No n l i n e ar c y c l i c b e h a v i o u r o f r e i nfo r c i n g b a r s i n c l u d i n g b u c k l i n g 【 J J o u r n a l o f S t r u c t u r a l E n g i n e e ri n g ，1 9 9 2 ， 1 1 8 ( 1 2 ) ：3 2 6 8 - 3 2 8 4 【 1 2 F r a g i a d a k i s M ， P a p a d r a k a k i s MMo d e l i n g ， analy s i s and rel i a b i l i t y of s e i s mi c a l l y e x c i t e d s t ruc t u r e s( c o mp u t a t i o n a l i s s u e s )【 J 】 I n t e r n a t i o n al J o u r n al o f C o m p u t a t i o n al Me t h ods 2 0 0 8 ，5 ( 4 ) ：4 8 3 - 51 1