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预压型钢混凝土柱滞回特性有限元分析.pdf

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资源描述

1、2 0 1 2年 第 8期 (总 第 2 7 4 期 ) Nu mb e r 8 i n 2 0 1 2 ( T o t a l No 2 7 4 ) 混 凝 土 Con c r e t e 理论研究 THEORETI CAL RES EARCH d o i : 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 2 0 8 0 0 9 预压型钢混凝土柱滞回特性有限元分析 焦玉琳 2 。王新华 1 l 2 ,杨杰 ,张云峰 。 ( 1 武汉理工大学,湖北 武汉 4 3 0 0 6 3 ;2 商丘职业技术学院,河南 商丘 4 7 6 0 0 0 ;3 长沙理工

2、大学,湖南 长沙 4 1 0 0 7 6 ) 摘要: 在型钢混凝土柱基础上提出预压型钢混凝土柱, 并对预压型钢混凝土柱研究意义进行了概要分析。 采用A N S Y S 有限元分析软 件, 通过对 9 个不同混凝土强度等级、 不同型钢预压比、 不同轴压比的预压型钢混凝土柱的低周反复荷载试验, 得到预压型钢混凝土柱在 不同轴压比、 型钢预压比下的破坏形态和滞回曲线。 研究结果表明: 预压型钢混凝土柱有良好的抗震性能, 但是其随着轴压比增大和混凝 土强度的提高而降低。 关键词: 预压型钢混凝土柱;型钢预压比;轴压比;滞回特性 中图分类号: T U 5 2 8 0 1 文献标志码: A 文章编号: 1

3、 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 8 0 0 2 7 0 4 F i n i t e el e m e n t an al y s i s on h ys t e r e t i c c ha r a c t e r i s t i c s o f s t ee l r e i nf or c ed c on cr e t e c ol um n s of s t e e l r e i n f or c e d c onc r ete c ol umns of s t r e s s J I AO Yu 4 m 一 , WANG Xi n- h u a 一 , YAN

4、G J i e , ZHANG Yan f e n g ( 1 Wu hanUn i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y , Wu h a n4 3 0 0 6 3 , C h i n a ; 2 S h a n g q i uVo c a t i o n a l a n dT e c h n i c a l C o l l e g e , S h a n g q i u4 7 6 0 0 0 , C h i n a ; 3 C h ang s h a Un i v e r s i t yo f S c i e n c eandT e c hno l o

5、g y , C h ang s h a 4 1 0 0 7 6 , Ch i n a ) Abs t r a ct: Ba s e o n s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o l u mns , a n e w c olu mn f o r m n a me d s t e e l r e i n f o rce d c o n c r e t e c o l u mns o f pr e c o mp r e s s e d s t r e s s wa s p r e s e nt e dTh e e n g i n e e

6、r ing s i g n i fic a n c e an d r e c e n t r e s e a r c h e s o f t h e s t e e l r e i nf o r c e d c o n c r e t e c o l u mns o f pr e c o mp r e s s e d s t r e s s we r e intro d u c e d Th e a r t i c l e a p p l i e s t h e ANS YS fin i t e e l e me n t a n a l y s i s s o ft wa r e, t h r

7、 o u g h t o t h e l o w we e k r e p e a t e d l y l o a d e x p e r i me n t o f 9 s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o l u mn s o f p r e c o mp r e s s e d s t r e s s for d i ff e r e n t c o n c r e t e i n t e n s i ty r a n k , d i ff e r e n t s t e e l p r e c o mp r e s s e d

8、 s tr e s s r a t i o a n d d i ff e r e n t a x i s p r e s s e s r a t i o l o w we e k r e pe a t e dly l o a d e x p e r i me n t , o b t a i ns 9 s t e e l r e i n f o r c e d c o nc r e t e c o l u mn s o f p r e c o mp r e s s e d s tre s s d e s t r u c tio n s h a p e and s t a gna t e s c

9、u r v e I t wa s c o n c l u d e d t h a t t h e s t e e l r e i nf o r c e d c o n c r e t e c o l u mn c o u l d imp r o v e the e a r t h q u a k e r e s i s t an c e p e rfo rm a n c e , b u t i t wi l l b e r e d u c e d wh e n i mp r o v e d the c o n c r e t e in t e n s i ty and the p a r t

10、ax i s p r e s s r a t i o Ke y w o r ds :s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o l u mn s o f pr e c o mp r e s s e d s tre s s ; s t e e l p r e c o mp r e s s e d s tre s s r a t i o; ax i a l c o mp r e s s r a t i o; h y s t e r e t i c c h ara c t e r i s t i c 0 引言 1 试件材料性质及参数的确定 预压

11、型钢混凝土柱也叫型钢混凝土叠合柱 1 】 , 是在型钢混 凝土柱的基础上通过特定的施工步骤形成的, 具体过程如下 : 先安装钢骨 , 以钢骨为支柱 , 结构向上施工至预定高度后 , 在 下部钢骨外围绑扎钢筋浇筑混凝土 , 待混凝土强度达到要求 后, 结构再继续向上施工至完成。 这样将一期轴力单独施加到 钢骨上, 剩余轴力由混凝土和钢骨分担 , 降低 了混凝土部分 的轴压 比。 预压型钢混凝土柱相对普通型钢混凝土柱具有以 下优点 : 降低了柱中混凝土部分 的轴压 比, 提高柱的延性和 抗震性能 : 由钢骨承担大部分轴力 , 可以提高柱的轴压 比限 值 , 充分发挥钢骨的作用。 我国国土辽阔 ,

12、资源相对紧缺 , 大 城市多 , 城市人 口多而密集 , 高层、 超高层建筑是社会发展的 必然。 高层 、 超高层最底下几层柱子非常适合采用预压型钢混 凝士柱截面形式。 预压型钢混凝土柱技术现有资料 、 研究成 果极为欠缺。 开展预压型钢混凝土柱技术研究工作是很有必 要 的。 收稿 日期:2 0 1 2 - 0 2 1 8 基金项 目:河南省科技攻关计划资助项 目( 1 1 2 1 0 2 3 1 0 4 1 9 ; 1 1 2 1 0 2 3 1 0 3 8 5 ) 选择单元类型, 在前处理阶段, 首先要根据分析问题的需 要, 选择所需的单元类型, 确定选用何种单元类型进行研究至 关重要 ,

13、 它影响着网格的划分与研究对象的相互对应。 AN S YS 提了 1 4种单元类型, 常用的单元有: 杆单元( L I N K) ; 梁单 元( B E AM) ; 板壳单元( s H E L L ) ; 实体单元( S OL I D) 。 本例选 用三维结构质量单元 MAS S 2 1 及实体单元 S O L ID6 5 。 S O L I D6 5 单元是专为混凝土岩石等抗压能力远大于抗拉能力的非均匀 材料开发的单元 , 用于含钢筋或不含钢筋的三维实体模型。 在 混凝土的应用方面, 用单元的实体性能来模拟混凝土, 该单元 具有 8个节点, 每个节点有 3个自由度, 即 , Y , 3个方向

14、的线 位移, 还可对 3个方向的含筋情况进行定义。 能模拟混凝土变 形和开裂蜘 。 ( 1 ) 犁钢采用 S O L I D 4 5 单元 。 ( 2 ) 混凝土材料采用 S O L I D6 5单元, 采用 Wi l l a m Wa r n k e 五参数破坏准则检查混凝土开裂和压碎, 模型选用 S OL I D 6 5 来 27 模拟混凝土时, 单元 S OL I D 6 5在求解过程中每迭代一次 , 就需 要检验单元是否有开裂、 压碎现象 , 且不断对刚度矩阵进行修 正。 因此, 能较好的反映接触界面的变化特征。 ( 3 ) 考虑到后处理分析查看钢筋屈服情况, 纵筋、 横向箍筋 采用

15、P I P E 2 0单元 A NS YS实体模型如图 1 所示。 ( a ) 混凝土实体模型 (b ) 型钢实体模型 图 1 混凝土 、 型钢实体模型 型钢采用多折线性随动强化模型( MKI N) , 屈服准则为 Mi s e s 准则, 所需用输入的参数相对比较简单。 首先输入弹性模 量和泊松 比, 单轴应力一 应变曲线为理想弹塑性模型。 纵筋和箍 筋采用双线性随动强化模 d ( B Kr N) , 输人参数也相对简单。 首 先也输入弹性模量和泊松 比, 单轴应力一 应变关系为理想弹塑 性模型。 钢材的输入参数见表 1 。 表 1 型钢、 钢筋的材料参数 混凝土材料性质包括应力一 应变曲线

16、和混凝土的破坏准则 两个部分。 混凝土的应力一 应变曲线简化成多折线按照非线性 弹性材料模型输入。 混凝土破坏准则采用的是 A NS YS程序中 默认的Wi l l i a m Wa mk c五参数破坏准则, 混凝土材料的输入参 数见表 2 。 2几何 尺 寸 试件高度为 1 0 0 0 I 砌 , 截面尺寸为 2 0 0 m mx 2 0 0 m m, 配有 4根主筋和 I 1 0的工字钢骨。 试件的截面2 - 3 及计算简图见图 2 。 表 2 混凝土 的材料参数 图2 试件的截面尺寸及计算简图( 单位: mm) 本试验所分析的试件共 9 个 , 各试件参数详见表 3 。 表 3 试 验试

17、件参数 3 计算结果分析 3 1 破 坏形 态 从试验过程及破坏特征来看, 这 9个试件在压、 弯、 剪共同 作用下的破坏形态均为弯曲型破坏。 预压型钢混凝土柱, 发生弯 曲破坏的现象和普通钢筋混凝土柱基本是相同的, 从第 8 、 9个 28 试件的破坏形态来看, 型钢预压比大小对破坏形态有一定的影 响, 型钢预压比在 O 1 0 3 5 之间, 和普通型钢混凝土柱没有太 大的区别 , 从试件加载变形的过程来看, 型钢首先承受一期荷 载 , 再和混凝 土共 同分担二期荷载 , 在水平荷载作用下 , 先是受 拉纵向钢筋接近屈服, 然后混凝土受压侧和型钢受压侧部分应 变进入塑性状态, 继续施加水平

18、位移荷载受拉钢筋屈服, 同时受 压混凝土被压坏退出工作, 继续加大水平位移受压侧型钢翼缘 也达到屈服, 最终构件破坏。 S R C 一 5的破坏相比其他构件破坏要 早, 主要是因为型钢预压比太大, 型钢早期承受轴向力过大, 型 钢在受拉钢筋屈服以后, 由于后期变形能力减弱, 不能帮助混 凝土抵抗较大变形, 很快受压侧混凝土发生破坏受压翼缘一 同发生屈曲破坏 , 最终构件破坏。 各个试件参数和破坏形态如 表 4 所示 。 3 2滞 同曲线 在低周反复荷载作用下, 滞回曲线综合反映构件的刚度、 强 度、 变形能力和耗能力等性能。 通常情况下 , 滞回曲线越丰满 , 则表明构件耗散地震能量的能力越强

19、, 其抗震性能越好。 通过对这 9个构件滞回曲线的对比和分析可以得出以下 几个结论 : ( 1 ) 整个过程中混凝土被理想化只有抗压强度没有抗拉强 度 , 受拉纵筋屈服前 , 其滞回曲线基本上呈直线型, 试件处于弹 性阶段; 荷载到达受拉纵筋屈服荷载以前, 随着荷载的增大, 位 移增长的速度稍微大于荷载的增长速度 , 滞回曲线出现稍微的 弯曲现象, 滞回环的面积有所增大, 试件的刚度有所降低 , 但不 明显 , 呈现出部分的非弹性性质 , 滞回曲线呈梭形 ; 在达到受压 纵筋屈服后 , 构件刚度降低加大, 这种刚度的降低随着水平荷 载的往复循环变得越来越严重, 其主要原因是随着荷载和位移 的增

20、加, 外围受压混凝土进入塑性的面积不断增大 , 型钢受压 位 移 m m ( a ) S R C 一 0 位 移 m m ( d ) S R C- 0 3 位 移 m m ( g ) S R C一 3 Z 耀 位移 mm ( b ) S RC一 0 1 位移 mm ( e ) S R C 一 1 位移 ram ( h ) S RC一 4 图 3 SR C 0 SR C 5滞 回曲线 侧逐渐进入塑性状态, 使得构件的刚度逐渐减小。 达到承载力 峰值后, 由于受压混凝土被压碎 , 型钢受压侧翼缘和部分腹板 进入塑性状态 , 承载力明显下降, 但是承载力下降到一定的值 , 下降速度又会变缓 , 滞

21、回曲线趋向稳定。 主要是由于型钢后期 作用明显的原因。 ( 2 ) 从这 9个构件的滞回曲线来看预压型钢混凝土柱与普 通型钢混凝土柱相比, 在相同轴压比、 配箍率情况下, 就抗震滞 回性能来说都比较好 , 滞回曲线相比更饱满, 呈丰满的梭形。 只 有型钢预压比比较大的构件滞回性能 比其他的试件差些。 其原 因是一期荷载太大型钢受压初始应变大, 加上后期轴力和大弯 矩 , 型钢承受过重负荷, 构件达到最大承载力以后承载力快速 位移 ram ( c ) S RC一 0 2 位移 mm ( f ) S RC- 2 位 移 mm ( i ) S RC一 5 下降, 表现出突然垮塌的特征( 如图3 (

22、i ) ) 。 ( 3 ) 从 S R C 0 、 S R C 0 1 和 S R C 1 、 S R C - 4的滞 回曲线可以看 出, 高强混凝土对于预压型钢混凝土柱的承载力有明显的提高, 相对提高幅度大约在 1 5 - - 4 5 。 型钢预压 比的增大对承载力 有一定的作用, 但是对承载力提高幅度相对提高混凝土等级要 小很多。 随着配箍率的增加抗震性能提高, 体现在箍筋对混凝土 的约束作用, 随着轴压比的增加, 抗震性能下降, 随着型钢预压 比的增加抗震J陛能提高, 当型钢预压比达到 O 4 2的情况下, 抗震 性能下降, 故说明预压型钢混凝土柱抗震性能并不是随着预压 比增大一直增大的

23、。 ( 4 ) 就构件最大承载力来讲, 从 S R C 0 、 S R C 1 到 S R C 5的 29 滞回曲线可以看出, 随混凝土强度等级、 型钢预压比以及轴压 比的增加, 配箍率增大, 构件的最大承载力增加 , 其中前 3者相 对比较明显。 混凝土强度等级高能帮助型钢承受更大的侧向压 力 , 构件也就能抵抗相对更大的弯矩, 预压型钢混凝土柱相对 普通型钢混凝土柱, 由于型钢帮助混凝土分担了一期荷载 , 外 围混凝土后期有更大的抵抗变形能力 , 构件承载能力增大。 从 S R C - 0 、 S R C 0 1 、 S R C 一 0 2 、 S R C 0 3来看, 随轴压比增大承载力

24、增 大, 是 由于竖向压力的因素 , 轴向压应力的存在对构件的抗弯 承载力有一定的作用。 总之, 三者都有较明显的作用 , 提高混凝 土强度等级对提高构件抗弯承载力有实质性作用。 4结论 本研究运用有限元软件 A NS YS , 对 9 个预压型钢混凝土柱 试件在低周反复水平荷载下进行仿真试验分析。 探讨了轴压比 和型钢预压比等对型钢混凝土柱抗震性能及承载能力的影响, 主要结论如下 : ( 1 ) 预压型钢混凝土柱和普通型钢混凝土柱就抗震滞 回性 能来说基本上都比较好, 滞回曲线都比较饱满 , 呈丰满的梭形。 只有型钢预压比比较大的构件滞回性能较差些。 ( 2 ) 预压型钢混凝土柱的抗震滞回性

25、能随着名义轴压比的 增加而降低。 ( 3 ) 预压型钢混凝土柱的抗震滞回性能随着混凝土强度提 高而降低。 ( 4 ) 预压型钢混凝土柱的承载能力随着混凝土强度提高而 上接第 2 6页 ( 4 ) 由表 4全再生骨料掺减水剂情况 3 2 5 级水泥灰水 比与 再生混凝土强 度关 系得 回归方程 : ,2 s= 9 ( ) 0 5 ( 1 2 ) 相关系数达 0 9 8 4 。 按上述计算方法得: 2 7 ( 1 3 ) l a l = - 0 9 3 5结 论 ( 1 ) 通过试验 , 发现再生混凝土抗压强度同灰水 比之间大 致成线性关系, 这与普通混凝土类同, 并得到了再生混凝土抗 压强度的计

26、算公式。 ( 2 ) 再生混凝土强度计算公式中的系数 : 、 与水泥强度 等级关系不大。 ( 3 ) 对于 1 0 0 再生粗骨料 +天然砂配制的再生混凝土, 不 掺减水剂线性关系较差, 掺减水剂与不掺减水剂, 、 值相差 较大, 因而不能统一为一组数值。 不掺外加剂 : = 0 5 6 , = o 7 0 ; 掺夕 加剂, = 0 3 3 , = 一 0 5 6 。 ( 4 ) 对于 1 0 0 再生骨料配制的再生混凝土, 掺减水剂与不 掺减水剂, 、 值相差不大, 因而可统一为一组数值 , 加权平 均得 - o 2 6 , 一0 9 7 。 ( 5 ) 水泥强度和水灰比对再生混凝土强度的影

27、响任然可用 B o l o me y 公式近似表示, 但原 B o l o me y公式中的、 亦相应地 改为本研究建议的回归系数 : 与 。 参 考文献 : 1 】 张学兵, 邓寿昌 再生混凝土单位体积用水量的试验研究 J 】 混凝土, 3 O 提高。 理论分析表明, 预压型钢混凝土柱具有良好的抗震性能 , 因此必将有着广阔的发展前景。 参考 文献 : 【 1 1 赵鸿铁钢骨混凝土组合结构【 M 1 北京: 科学出版社, 2 0 0 1 2 】 J G 1 1 3 8 2 0 o 1 , 型钢混凝土组合结构技术规程 s C 京: 中国建筑 工业出版社 , 2 0 0 2 3 】 Y B 9

28、0 8 2 9 7 钢骨混凝土结构设计规程 s - 京 : 冶金工业出版社, 1 9 9 7 【 4 l 陆新征, 江见鲸 用 A N S Y S S O L I D 6 5 单元分析混凝土组合构件复杂 应力 J 建筑结构, 2 0 0 3 , 3 3 ( 6 ) : 2 2 2 4 5 】 李权A N S Y S 在土木工程中的应用【 M E 京 : 中国水利水电出版社 , 2 0 0 5 【 6 6 刘涛, 杨凤鹏, 等精通A N S Y S M 】 北京: 清华大学出版社, 2 0 0 2 【 7 】 李惠, 刘克敏, 吴波钢骨高强混凝土叠合柱抗震性能试验研究 J 】 _ 哈 尔滨工业大

29、学土木工程学报, 2 0 0 1 8 】8 李俊华 氐 周反复荷载下型钢高强混凝土柱受力性能研究 D 西安: 西安建筑科技大学, 2 0 0 5 9 9 P a t ri c k P a u l e , F r e d e ri c L e g e mn I n f l h e n c e o f c o n c r e t e s t r e n g t h a n d t r - r a n s v e r s e r e i n f o r c e me n t y i e l d s t r e n g t h o n b e h a v i o r o f h i s h- s t

30、r e ngth c o n c r e t e c o l u m n s D A C I S t r u c t u r a l J o u ma l , 2 0 0 1 ( 4 ) 作者简介: 焦玉琳( 1 9 7 2 一 ) , 女 , 研究生, 主要从建筑环境与节能技术。 联系地址: 河南商丘 神火大道南段5 6 6 号 商丘 职业技术学院( 4 7 6 0 0 0 ) 联系电话 : 1 3 5 9 8 3 2 5 7 6 5 2 o o 4 ( 1 O ) : 3 8 4 0 , 6 4 2 】DE NG S h o u - -c h a n g , Y U F a n g E x

31、 p e r i me n t a l s t u d i e s of fl e x u r a l s t r e n t h a n d m e c h a n i c s p e rf o r m a n c e f o r r e c y c l e d c o n c r e t e b e a m C I C WE M 2 0 1 0 c o n s t r u c t i o n wa s t e r e c y c l i n g a n d c i v i l e n g i n e e rin g s u s t a i n a bl e d e v e l o p me

32、 n t , I C WEM 2 01 0 P r o c e e d i n g s o f t h e 2 n d I n t e rna t i o n a l Co n f e r e n c e W a s t e En g i n e e ri n g a n d Ma n a g e me n t RI L EM P u b l i c a t i o n S A R L: 6 9 5 71 6 3 】D E N G S h o u - c h a n g , YU F a n g E x p e ri m e n t a l r e s e a r c h o n b a s

33、i c p r o p e r t i e s of r e c y c l e d c o n c r e t e, c o n s t r u c t i o n wa s t e r e c y c l i n g a n d c i v i l e n g i n e e rin g s u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n t C I C WE M 2 0 1 0 P r o c e e d i n g s of t h e 2 n d I n t e ma t i o n a l Co n f e r e n c e W a s t e E

34、n g i n e e r i n g an d Ma n a g e me n t I C W EM 2 O 1 l0 R I L E M P u b l i c a t i o n S A R L : 6 8 4 - - 6 9 4 4 1邓寿昌, 罗冠祥 混凝土配合比设计与再生混凝土配合比设计方法 的比较与分析f J 惠州学院学报, 2 0 1 1 , 6 ( 3 ) : 9 1 8 5 】 J G J 5 5 2 O l 1 , 普通混凝土配合比设计规程【 s 】 北京 : 中国建筑工业 出版 社, 2 0 1 1 【 6 6 章祈锡 鲍罗米公式中回归系数 A 、 B值的探讨【 J j

35、 混凝土 , 2 0 0 1 ( 1 ) : 21 2 4 【 7 】 孙振平, 谭国强, 王新友 再生混凝土技术 混凝土, 1 9 9 8 ( 5 ) : 3 6 I 4 0 【 8 】 徐浩 废弃混凝土回收利用中的几个问题叨建筑技术, 2 0 0 0 ( 2 ) : 1 0 6 - 1 0 7 9 9 肖建庄, 李佳彬, 兰阳再生混凝土技术研究最新进展与评述们 混凝 土, 2 0 0 3 ( 1 0 ) : 1 7 - 2 0 , 5 7 【 1 0 】 邓寿昌, 张学兵, 罗迎社 废弃混凝土再生利用的现状分析与研究展 望 J 】 混凝土, 2 0 0 6 ( 1 1 ) : 2 O 一 2 4 作者简介: 邓寿昌( 1 9 5 6 一 ) , 男, 教授。 联系地址: 广东省惠州市演达大道4 6 号 惠州学院土木系( 5 1 6 0 0 7 ) 联系电话 : 1 3 9 7 4 8 3 0 0 4 8

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