钢筋混凝土分体柱在侧向荷载作用下的弹塑性分析.pdf

四川建筑科学研究 S i c h u a n Bu i l d i n g S c i e n c e 第3 7卷第4期 2 0 1 1年 8月 钢筋混凝土分体柱在侧向荷载作用下的弹塑性分析 尤鸿瑁， 黄东升， 周爱萍， 龙慎久， 周明敏 ( 南京航空航天大学航空宇航学院土木工程系， 江苏 南京2 1 0 0 1 6 ) 摘要： 高层结构由于竖向荷载大， 底层柱截面往往很大， 容易形成短柱。分体柱就是将根截面较大的柱剖分为若干截面 较小的柱， 以增加柱的长细比， 从而避免出现短柱， 但由于对分体柱的力学性能了解不多， 工程中鲜有应用。本文应用有限元 法对某高层结构的底层角柱进行了弹塑性分析， 分别讨论了分体柱在竖向和侧向荷载作用下的力学性能。结果表明， 在竖向 力的作用下， 整体柱与分体柱的轴向变形相差不大 ， 分体柱的侧向承载能力比整体柱略有降低， 但延性却大幅度提高。可见， 采用分体柱可以在保证柱承载力满足要求的前提下， 大大提高柱的延性。 关键词 ： 分体柱； 短柱； 高层结构； 抗震设计 中图分 类号 ： T U 3 7 5 3 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 1 ) 0 40460 3 El a s t i c - p l a s t i c a n a l y s e o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e s p l i t c o l u mn s u n d e r l a t e r a l t or c e Y O U Ho n g j u n ， HU A N G D o n g s h e n g ， Z HO U A i p i n g ， L O N G S h e n j i u ， Z HO U Mi n g mi n ( D e p a r t m e n t o f C i v i l E n g i n e e ri n g ，C o H e g e o f A e r o s p a c e E n gi n e e r i n g ， N a n j i n g U n i v e r s i t y o f A e r o n a u t i c s a n d A s t ron a u t i c s ， N a n j i n g 2 1 0 0 1 6 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： B e c a u s e o f b i g v e r t i c a l l o a d， t h e b o t t o m c o l u mn o f h i g h ri s i n g b u i l d i n g i s o ft e n h a s a h u g e c r o s s - s e c t i o n a n d e a s y t o f o r m s h o rt c o l u mn S p ri t c o l u mn i s t o d i v i d e a l a r g e C R O S S s e c t i o n c o l u mn i n t o a n u mbor o f s ma l l e r C roS S s e c t i o n c o l u mn s ， s o a s t o i n c r e a s e t h e s l e n d e r n e s s r a t i o a n d a v o i d f o r mi n g s h o rt c o l u mn， h o w e v e r ， b e c a u s e o f l a c k i n g o f r e s e a r c h a b o u t i t s me c h a n i c s p r o p e rt i e s ， s p li t c o l u mn h a s n o t b e e n u s e d i n p r a c t i c a l u n t i l n o w T h i s p a p e r a n aly s e s t h e e l a s t i c - p l a s t i c p r o p e rti e s o f s p l i t c o l u mn u s i n g fi n i t e e l e me n t and c o mp a r e s t h e i r me c h a n i c s c a p abi li t i e s u n d e r v e rt i c a l l o a d a n d h o riz o n t al l o a d T h e r e s u l t s s h o w t h a t u n d e r v e r t i c a l l o a d ， t h e a x i a l d e f o rm a t i o n d i ff e r e n c e i s s ma l l ， s p l i t c o l u mn l a t e r a l l o a d c a p a c i t y s li g h tl y l o w e r t h a n t h e o v e r a l l c o l u mn， h o w e v e r ， i t s d u c t i li t y i s s u b s t a n t i a l l y i n c rea s e s T h u s u s i n g s p l i t c o l u mn c a n g r e a tl y e n h a n c e t h e d u c t i l i t y u n d e r t h e p r e mi s e o f c a r r y i n g c a p a c i t y me e t s t h e req ui r e me nt s Ke y wo r d s ： s p l i t c o l u mn s ； s h o rt c o l u mn； h i g h ris i n g b u i l d i n g s ； e a r t h q u a k e r e s i s t a n c e d e s i g n 0 引 言 钢筋混凝土高层建筑 由于层数多、 高度大， 底层 柱的剪力 和轴力都很大 ， 当高度达到一定数值后 ， 底 层柱的高宽 比常常小于 4， 很容易形成短柱 。目前 ， 对这类问题的处理都是采用外包钢的方法， 将钢筋 混凝土柱做成钢与混凝土组合柱， 从而避开了混凝 土柱轴压 比的 限制 。这种方法带 来 了一个新 的问 题 ， 就是底层柱的刚度变得很大， 容易导致上部结构 形成相对薄弱层。在工程实践 中， 也有人采用在短 柱中增加芯柱的做法， 这种做法能否改善延性还缺 乏理论和试验的支持， 因此， 没有得到普遍的认可。 收稿 日期 ： 2 0 0 9 1 2 -01 作者简介 ： 尤鸿瑶( 1 9 8 7一) ， 男 ， 安徽 天长人 ， 硕士研究 生 ， 主要从事 高层结构、 结构耗能减震方面的研究。 Ema il ： y o u h o n u n n u a a y a h o o t o m a l l 还有人则提出了分体柱这一新颖做法， 分体柱将一 根截面较大的柱分成几个截面较小的柱 ， 各柱肢分 开配筋 ， 虽然柱的抗弯刚度有所降低 ， 但却在保证柱 的轴向承载力不降低的情况下 ， 增加了柱的长细 比， 实现了短柱变长柱 ， 有效地改善柱 的抗震性能_ l 。 ， 可以较好地解决高层结构中的短柱问题。但由于目 前对分体柱力学性能的了解还不多， 工程上很少应 用。本文以一实际工程为背景， 对其底层一短柱进 行弹塑性分析， 比较了整体柱与分体柱的力学性能， 以期为工程实 际中采 用分体柱提供一定 的理论参 考。 1 计算模型 1 1 工程实况简介 某高层结构的底层柱， 截面为 1 4 m1 4 m， 柱净高度 5 4 m， 混凝土保护层厚度 3 0 h i m， 柱截面 及配筋见图 1和图 2 。根据 P K P M计算 的结果 得： 尤鸿琚， 等： 钢筋混凝土分体柱在侧向荷载作用下的弹塑性分析 4 7 柱子所受的竖向力为 2 9 0 0 0 k N； 计算得竖向应力： 整体柱竖向应力为 2 9 0 0 0 ( 1 41 4 )=1 4 7 9 5 9 k P a ， 分体柱竖 向应力为 2 9 0 0 0 ( 1 4 71 4 7 )= 1 3 4 2 0 3 k P a ， 柱子的净高 日为 5 4 m， 整体柱 的截面 高度 h为 1 4 m， 则整体柱 H h= 5 。 4 1 4=3 8 5 7 4 ， 分 体柱不属于短柱。分体柱混凝土保护层厚度为 O 0 3 m， 由4 个 0 7 m 0 7 m的分体柱组成， 柱子 间距为0 0 7 m， 高5 4 m； 截面为 1 4 7 m 1 4 7 m。 整体柱混凝土纵筋采用 5 2根 2 5的钢筋 ， 纵 筋总面积为2 5 5 2 5 m m ， 分体柱纵筋为6 4根 2 2的 钢筋， 总面积为 2 4 3 2 8 r fl m ， 纵筋面积基本相等， 且 整体柱采用核心配箍方式， 分体柱4个分体柱之间 有0 0 7 m的间距。箍筋统一采用 1 4 1 0 0 ， 分体 柱和整体柱的配筋如图 1 ， 2 所示。 图 1 整体柱配筋 F i g 1 Re i n f o r c e me n t d r a wi n g o f o v e r a l l c o l u m n r ， J L 。 r L 图 2分体柱配筋 Fig 2 Re i nf o r c e me n t d r a wi n g o f s p l i t c o l u m n 1 2 单元简介 利用有限元软件 A N S Y S 1 0 0 对整体柱和分体 柱进行受力分析， 采用分离式模型： 混凝土和钢筋。 混凝土采用 S o l i d 6 5单元 ： S o l i d 6 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， 可用于含钢筋或不含钢筋的三维实体 模型， 该实体模型可具有拉裂与压碎的性能。在混 凝土的应用方面， 如用单元的实体性能来模拟混凝 土， 而用加筋性能来模拟钢筋的作用。该单元也可 用于其他方面， 如加筋复合材料的玻璃纤维及地质 材料的岩石。该单元具有 8个节点， 每个节点有 3 个自由度， 即 ， y ， z这 3个方向的线位移； 还可以 对 3 个方向的含筋情况进行定义。与三维 8 节点等 参元 S o l i d 4 5单元 ( 三维结构实体单元) 的性能相 似， 只是增加了描述开裂与压碎的性能。本单元最 重要的方面在于其对材料非线性的处理。其可模拟 混凝 土 3个方向的开裂、 压碎、 塑性变形及徐变 ， 还 可以模拟钢筋 的拉伸、 压缩 、 塑性变形及蠕变 ， 但不 能模 拟 钢筋 的剪切 性 能。钢 筋采 用 L i n k 8单元 ： L i n k 8单元是有着广泛应用 的杆 单元 ， 可 以用来 模 拟钢筋、 桁架、 缆索、 连杆、 弹簧等。这种三维杆单元 是杆轴方向的拉压单元， 每个节点具有 3 个自由度： 沿节点坐标系 ， l ， ， z方向的平动。具有塑性、 蠕 变、 膨胀 、 应力刚化 、 大变形 、 大应变等功能不考虑混 凝土和钢筋粘结滑移。 1 3 参数设定及建立模型 1 3 1 相关参数设定 抗拉强度依据规范查得 C 5 5混凝土为 2 7 4 E+ 0 0 6 ( N r ll ) ， 单轴抗拉强度取为一l ， 混凝土本构关 系采用“ 拉力截断” 的 V o n Mi s s e s 模型， 张开裂缝 的 剪切传递系数 的取值 ： 一般梁取 0 5 ， 深梁取 0 2 5 ， 剪力墙取 0 1 2 5 ， 闭合裂缝 的剪 切传递 系数取 0 9 。 1 3 2 模型建立 模型的单元划分如图3 ， 4所示。 图3整体柱几何模型 F i g 3 Ge o m e t r i c m o d e l o f o ve r a l l c o l umn 图4分体柱几何模型 Fi g 4 Ge o m e t r i c mo d e l o f s p l i t c o l u m n 4 8 四川建筑科学研究 第 3 7卷 由于柱子底部和地基为刚性连接 ， 本文采用加 固端约束 的方法来模拟 ， 注意 固端约束最好加在节 点部位处 。 柱子 的竖向力分 1 0 0个子步施加。水平位移最 大值设为沿 轴负方向0 3 m， 分 1 0 0 个荷载子步逐 步施加， 直至柱子破坏。 2 计算结果 在竖 向力和水平 向力的作用下 ， 整体柱力的具 体加载过程见表 1 。 表 1 整体柱加载步骤 Ta b l e l Lo a d s t e p o f o v e r a l l c o l u mn 分体柱的具体加载过程见表 2 。 表 2 分体柱加载步骤 Ta b l e 2 Lo a d s t e p o f s p l i t c o l u mn 根据计算结果， 以水平向的最大变形值为横坐 标 、 水平反力为纵坐标 ， 作 出两者 的关系 曲线 如 图 5 ， 6所示。 图 5 整体柱水平反 力和水平变形拟合 关系 曲线 F i g 5 Ho r i z o n t a l c o u n t e r f o r c e - ho r i z o n t a l d i s t o r t i o n fit t i n g c u r v e o f o v e r a l l c o l u m n 3结论 与展望 本文研究的主要内容是超高层结构中整体柱和 分体柱受力的不同， 比较整体柱和分体柱受竖向力 图6 分体柱水平反力和水平变形拟合关系曲线 Fi g 6 Ho riz o n t a l c o u n t e r f o r c e h o r i z o n t a l d ist o r t i o n fi t t i n g c u r v e o f s p li t c o l u mn 变形和内力以及承受水平力能力的不同， 利用 A N S Y S进行有限元分析所 得的结果 ， 对实 际工程给 出 设计建议。 通过分析比较 ， 主要得到了以下几点结论 ： 1 ) 在竖 向力的作用下， 整体 柱竖向变形为 6 0 6 6 8 ill m， 分体柱的竖向变形为 8 1 3 3 5 m m， 可 见， 整体柱的变形相比分体柱要小， 说明整体柱的刚 度比分体柱要大， 但是两者的变形相差不是很大， 在 满足承载能力的条件下 ， 可以采用分体柱来替代整 体柱。 2 ) 分体柱的水平延性较之于整体柱要好 ， 整体 柱可以承受的3 2 4= 7 2 1T im的水平向侧移， 而分 体柱能承受 3 3 1= 9 3 m m的侧移， 这说明分体柱 的柔性比整体柱要好 ， 即其破坏为延性破坏。 3 ) 整体柱可以承受 的水平 反力为 0 2 1 8 9 8 E+ 0 7 N， 而分 体柱 可 以承受 的水 平力 为 0 1 8 7 9 7 E+ 0 7 N， 可以看出， 整体柱和分体柱承受水平力极限荷 载相差不大。 从A N S Y S 得出的结果分析可知： 分体柱和整体 柱在承受相同荷载的情况下变形相差不大， 承受水 平荷载的能力也相差不大 ， 但分体柱的高宽 比较整 体柱大， 它的破坏形式为延性破坏， 相 比整体柱的脆 性破坏要安全 ， 因此 ， 在各方面性能相差不大的情况 下 ， 可 以采用延性破坏 的分体柱 。 参 考 文 献： 1 包世华 新编高层建筑结构 M 2版 北京： 中国水利水电出 版社 ， 2 0 0 5 ： I - 4 2 谭素群， 李享 高层建筑抗震设计中短柱问题的处理 J 山 西建筑 ， 2 0 0 7 ( 4) ： 1 O 一 1 3 3 林育新 浅谈短柱的判别及避免出现短柱破坏的措施 J 福 建建筑 ， 2 0 0 7 ( 1 2) ： 3 I - 3 4 4 罗如登 A n s y s 中砼单元 S o l i d 6 5单元的裂缝间剪力传递系数 取值 J 江苏大学学报， 2 0 0 8 ( 3 ) ： 2 3 - 2 7