CFST外包柱脚抗震性能研究.pdf

文章编号:()收稿日期:基金项目:中铁第一勘察设计院有限公司科研开发项目(院科)作者简介:马晓飞()男河北邯郸人高级工程师主要从事复杂结构设计及抗震性能研究方面的工作:.引文格式:马晓飞.外包柱脚抗震性能研究.铁道建筑技术():.外包柱脚抗震性能研究马晓飞(陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(中铁一院)陕西西安)摘 要:作为将上部荷载传递至基础的关键节点钢管混凝土柱()外包柱脚工程应用较为广泛但其抗震性能研究尚未成熟 基于实际工程案例选取 外包柱脚尺寸和栓钉间距作为变量设计试件进行低周往复荷载试验并建立精细有限元模型以研究两变量对外包柱脚抗震性能的影响 结果表明:外包尺寸较大时可保证柱脚受力性能滞回曲线饱满峰值承载力、延性性能、初始刚度及强度退化系数显著提高减小栓钉间距未能改变破坏特性但可小幅提高各抗震性能参数数值模拟所得滞回曲线、骨架曲线与试验结果吻合良好所建模型可准确预测试件受力情况关键词:柱 外包柱脚 低周往复荷载 试验研究 数值模拟 抗震性能中图分类号:.文献标识码:./.():().:引言 构件综合了混凝土抗压优势和钢材的抗拉优势具有良好的抗压性能与弹塑性变形性能 因此 构件尤其是 柱被广泛应用于各类工程结构中如复杂铁路站房、铁路站台雨棚工程、大跨度桥梁工程、多高层及超高层建筑、大跨度空间网架结构等 作为将上部荷载传递至基础的关键节点拥有良好抗震性能的 柱脚是复杂工程抵御地震灾害的基本保障 柱脚常用形式主要分为外露式、埋入式和外包式三种 其中外包式柱脚由于施工简便实际工程应用相对广泛 目前我国相关设计规范参考日本相关规范采取构造措施用以保证其受力的可靠性 但 外包式柱脚内力传递复杂影响因素众多国内外对其受力机理、抗震性能的认识不够成熟基于此本文以外包柱脚尺寸和栓钉间距为变量设计往复荷载试验并建立精细有限元模型以充分研究两参数对其抗震性能的影响 试验方案.试件设计本文参考银西客专站台单柱雨棚 柱外包式柱脚基于简单相似原理设计缩尺比例共 个试验试件试件钢管为 钢材设计竖向荷载为 试件铁道建筑技术 ()马晓飞:外包柱脚抗震性能研究 和 栓钉间距取 和 取 其他设计参数见图(其中配筋信息中 表示 级钢筋)图 试件配筋(单位:).试验装置本次试验加载装置如图 所示 竖向荷载通过竖向液压千斤顶分级施加至试件顶部水平低周往复荷载则通过水平 施加至试件顶部位置 同时为防止试件在低周往复荷载作用加载时发生扭转或平面外失稳试验装置中设置了侧向支撑图 试验装置.加载方案试验正式加载前进行测试性预加载用以检查试件安装、试验装置、测试装置、数据传输及采集装置等是否正常工作 正式加载时首先分 级施加 竖向荷载并保持恒定 水平低周往复荷载采用混合控制加载制度即在试件屈服前采用荷载控制屈服后采用位移控制 荷载控制阶段往复荷载按.、和(和 分别为结构开裂所对应荷载及结构屈服所对应荷载)进行施加每级荷载循环一周位移控制阶段往复荷载以试件屈服位移 为增量步进行施加每级荷载循环两周 加载至试件承载力下降至峰值承载力的.倍时结束试验 试验结果及分析.试验现象()试件 当水平荷载加载至 时柱脚顶部混凝土开始出现受压竖向裂缝加载至 时开始出现受剪斜裂缝加载至 时裂缝发展延伸柱脚纵向受拉钢筋开始屈服屈服位移.改为位移控制加载 当加载至 时柱脚与基础明显脱开受剪斜裂缝贯通加载至 时柱脚底部受压区混凝土压溃荷载明显下降加载至 时柱脚底部受压区混凝土压溃加剧受压区钢筋压屈箍筋外露试验结束()试件 当水平荷载加载至 时柱脚顶部混凝土开始出现承压裂缝加载至 时开始出现受剪斜裂缝其他裂缝发展延伸柱脚纵向受拉钢筋开始屈服屈服位移 .改为位移控制加载 当加载至时柱与柱脚混凝土之间均明显脱开受剪斜裂缝贯通加载至 第一次循环时柱脚底部受压区混凝土压溃荷载明显下降加载至 第二次循环时柱脚底部受压区混凝土压溃加剧受压区钢筋压屈箍筋外露试验结束()试件 当水平荷载加载至 时柱脚顶部混凝土开始出现承压裂缝加载至 时承压裂缝向下迅速发展并出现受剪斜裂缝柱与柱脚混凝土脱开柱脚纵向受拉钢筋开始屈服屈服位移.改为位移控制加载 当加载至 时柱与柱脚混凝土脱开加剧受剪斜裂缝贯通加载至 时外包段各裂缝开始贯通裂缝宽度加大荷载开始下降加载至 时柱脚顶部混凝土被完全掀开试验结束()试件 当水平荷载加载至 时柱脚混凝土顶部开铁道建筑技术 ()马晓飞:外包柱脚抗震性能研究始出现承压裂缝加载至 时承压裂缝向下迅速发展并出现受剪斜裂缝柱与柱脚混凝土脱开柱脚纵向受拉钢筋开始屈服屈服位移.改为位移控制加载 当加载至时柱与柱脚混凝土脱开加剧受剪斜裂缝贯通加载至时柱脚各裂分开始贯通裂缝宽度加大荷载开始下降加载至 时柱脚顶部混凝土被完全掀开试验结束各试件最终破坏形态示见图 图 各试件最终破坏特征.滞回曲线各试件滞回曲线见图 由图 分析可知试件 与 的滞回曲线呈弓形较为饱满和 滞回曲线呈梭形捏拢效应不明显滞回曲线饱满 结合试验现象分析可知试件 与 滞回曲线表现出明显捏拢效应是由于外包段顶部与钢管存在裂缝或脱开钢筋与混凝土在反复荷载下产生粘结滑移所造成图 滞回曲线.骨架曲线各试件骨架曲线见图 由图 分析可得试件 和、和 初始抗侧刚度大致相同且 和 初始抗侧刚度较大这是由于外包柱脚尺寸较大所致 随着荷载增大试件逐渐由于混凝土开裂、受拉钢筋屈服而屈服承载力增长速度减缓且各试件骨架曲线均无明显屈服点 各试件在破坏阶段承载力随位移荷载增加而下降缓慢表明各试件在破坏阶段仍具备一定的延性性能试件 骨架曲线正向和负向的峰值荷载相对于试件 分别提高了.和.骨架曲线正向和负向的峰值荷载相对于试件 分别铁道建筑技术 ()马晓飞:外包柱脚抗震性能研究提高了.和.说明减小栓钉竖向间距能够提高试件的峰值荷载和初始刚度但刚度提高不明显 试件 骨架曲线正向和负向的峰值荷载相对于试件 分别提高了.和.骨架曲线正向和负向的峰值荷载相对于试件 分别提高了.和.说明外包段厚度增大保持配筋率不变配筋量增大承载力可有效提高图 骨架曲线.延性性能位移延性系数可由极限破坏位移与等效屈服位移之比表征 等效屈服位移可采用等能量法确定 各试件延性系数见表 由表 分析可知试件 比试件 延性系数提高.试件 比试件 延性系数提高.表明栓钉竖向间距减小能提高试件的延性但提高幅度较小 试件 比试件 延性系数提高.试件 比试件 延性系数提高.表明当外包柱脚截面增大时试件破坏面由外包柱脚底转移至柱脚顶明显增加了试件延性性能表 位移延性系数试件 方向/平均值推拉.推拉.推拉.推拉.强度及刚度退化由.节滞回曲线分析可知当各试件在第 级加载过程中第二次循环试件的峰值荷载 相比于第一次循环试件的峰值荷载 有所下降以 与 之比来表征同级荷载下多次循环试件强度退化情况即强度退化系数 连接各级荷载下强度退化系数即可得如图 所示的强度退化曲线 由图 可知各试件强度退化系数在.范围内说明试件抵抗往复荷载作用维持强度的能力较强抗震性能良好 试件 和 强度退化曲线下降趋势更明显这是由于外包柱脚底部损伤积累造成的强度退化 对比试件 和 或试件 和 可以发现栓钉竖向间距减小对试件强度退化性能有一定改善试件刚度退化情况则可由滞回曲线割线刚度 来表征各试件刚度退化曲线如图 所示 由图 可知各试件刚度退化曲线整体趋势为加载初期由于试件中混凝土细小裂缝的产生、发展导致试件刚度退化相对较快裂缝贯通及受拉钢筋屈服后刚度退化速度有所减缓趋近破坏点时各试件刚度退化平缓且残余刚度趋于稳定值 由于外包柱脚尺寸及配筋面积较大使得 和 初始刚度比其余两者大 栓钉间距较小使得 和 分别比 和 刚度退化稍微缓慢图 强度及刚度退化曲线 有限元分析.有限元模型建立为完善外包式柱脚弹塑性受力结果建立精细有限元模型对试验过程进行模拟 模型中混凝土、钢管及栓钉分别采用实体单元钢筋采用三维桁架单元钢管铁道建筑技术 ()马晓飞:外包柱脚抗震性能研究及钢板采用分层壳单元忽略钢材、钢筋与混凝土之间的粘结滑移采用文献中材料本构模型 基础底面采用固结方式试件顶面施加以位移控制的往复荷载 最终建立的有限元模型见图 图 有限元模型.分析结果.应力及损伤云图由试验现象可知试件 与、与 破坏形态较为接近选取 和 应力云图进行分析 由图 中 应力及损伤云图可知钢管应力沿柱高从上至下逐渐增大在外包柱脚范围内增大幅度很小 纵筋应力从外包段顶部向下也不断增大且在柱脚底部钢筋应力最大表明在外柱脚范围以上弯矩由 柱承担外包柱脚范围内弯矩则由 柱和外包柱脚共同承担且越靠近柱脚底部外包柱脚承担弯矩越多 由外包混凝土损伤云图可知柱脚底部混凝土损伤最严重与试验现象相符图 模拟所得应力及损伤云图由图 中 应力及损伤云图可知外包柱脚顶部以上钢柱应力自上而下逐渐增大但在外包柱脚范围钢管底部应力小于顶部应力 外包柱脚底部纵筋应力也较大说明外包钢筋混凝土在底部受到的弯矩较大同时外包段顶部箍筋应力较大反映出外包段顶部受到较大的剪力作用 由外包混凝土损伤云图可以看出柱脚顶端混凝土受压损伤较为严重与试验现象相符.滞回曲线有限元模拟与试验所得滞回曲线对比情况见图 由图 可知两者吻合较好 其中试件 和 承载力峰值过后模拟结果较试验结果下降缓慢分析可知加载后期外包柱脚底部受压区纵筋屈服混凝土严重压碎试件承载力显著下降而有限元模型未能较好模拟出此现象.骨架曲线有限元模拟与试验所得骨架曲线对比见图 由图 可知各试件骨架曲线在承载力峰值前吻合较好承载力下降阶段有所差别这是由于有限元模型中忽略了钢筋与混凝土之间的粘结滑移所导致 同时有限元模拟所得骨架曲线在拉压方向更具对称性这是由于有限元模型采用理想化的本构模型无法考虑实际试件初始缺陷、制作误差所致 结论通过对 外包柱脚抗震性能的试验与数值模拟研究所得结论如下:()柱脚外包尺寸较大时可保证外包段受力性能减小栓钉间距未改变整体破坏特性()增大柱脚外包尺寸可有效提高 柱水平承载力、延性性能减小栓钉间距对提高试件抗震性能参数效果不明显 实际设计中建议适当增加柱脚尺寸栓钉间距按构造设置即可()本文所建有限元模型可较准确预测结构受力特性参考文献 曾在平王秀丽冯竹君等.耐候钢管混凝土柱局部轴向受压性能试验研究.铁道工程学报():.孙会郎朱伟陆俊等.济青高铁青岛红岛站站房主体结构设计.建筑结构():.余洋.杭州南站站台雨棚变截面柱异型节点分析.铁道工程学报():.贾伦学.云巴轨道梁桥结构选型研究.铁道建筑技术():.白涌滔.长周期地震动下高层钢管混凝土框架侧移性倒塌性能.建筑钢结构进展():.(下转第 页)铁道建筑技术 ()王双 等:负高差地形影响下隧道爆破振动响应及其传播规律从图 可知在爆破振动传播至.时各方向爆破振动速度继续向四周传播且各方向的爆破振动速度峰值均有不同程度的下降 这是由于随着时间增长爆破过程已经结束由爆源处传出的振动不断被消耗传播振动影响范围不断扩大而峰值逐渐减小观察图 可以看出合速度方向爆破振动速度沿负高差方向减小速率较快尤其在第一级负高差地形之后距爆源距离相等的位置振动速度值差距明显负高差地形位置振动速度明显较低 从图 可以看出水平横向振动速度传播同样沿正高差方向传播至边界后开始向负高差方向传播由于双子山多级负高差地形影响导致振动速度会出现局部放大但是整体减小的规律且水平横向速度的放大效应明显 观察图 方向上的振动速度减小较快振动速度传递方向呈现发散状态不再有弧形传播规律 由图 可以看出相比于其他方向的振动速度传播垂直方向上传播最快且范围更广综合上述分析负高差地形对爆破振动合速度及三向振速均有不同程度的影响其中对合速度及负高差地形所在方向的振速传播影响最为明显对其他方向的振速传播影响较小 结论依托双子山隧道工程采用现场实测和数值模拟方法对负高差地形条件下山岭隧道爆破振动传播规律进行研究得到如下结论:()现场监测结果表明多级负高差地形对爆破振动速度传播具有瞬时减小与再增大的波动作用 当爆破振动速度传播至第一级负高差地形时只有瞬时减小的作用由于距离较短未体现出再增大作用当振动传播至第二、三级负高差位置均呈现出振荡现象即振速先瞬时减小后增大()多级负高差地形对爆破振动速度的瞬时减小效应随负高差级数增加逐渐减弱而对于每一级负高差上的再增大作用逐渐增强()由 地理信息系统软件与 有限元软件相结合建立的三维有限元数值模型可以较为准确地应用于存在高差地形的爆破振动预测负高差地形对合速度及负高差地形所在方向的振速传播影响最为明显对其他方向的振速传播影响较小参考文献 .:.():.():.吴礼军 徐文彬.邻近高陡边坡采矿爆破振动规律及边坡稳定性分析.工程爆破 ():.():.:.():.包松 郭连军 莫宏毅 等.高程影响下爆破振动速度衰减模型优选研究.有色金属工程 ():.包松 郭连军 莫宏毅 等.考虑高程与能量的爆破振动持时分析.金属矿山():.张鹏 刘宇 周永利 等.露天矿背波台阶边坡受爆破振动的影响.湖南科技大学学报(自然科学版)():.张鹏 刘宇 周永利 等.露天煤矿台阶边坡爆破振速的高程放大效应研究.煤炭科学技术 ():.雷振 李卓 雷兴海 等.爆破振动作用下高层建筑振速变化规律研究.工程爆破 ():.():.唐海 马谕杰 夏祥 等.负高差地形爆破振动规律研究.工程爆破 ():.唐海 李海波 蒋鹏灿 等.地形地貌对爆破振动波传播的影响实验研究.岩石力学与工程学报():.崔文镇.小净距隧道全断面扩挖爆破振动影响分析.铁道建筑技术():.(上接第 页)施志深杨笑天周健等.温州永强机场 航站楼钢屋盖结构设计.建筑钢结构进展():.李彬王湛范延静等.不同锚栓布置的外露式柱脚弱轴方向力学性能研究.建筑结构学报():.李健.外包式方钢管柱脚节点抗震性能研究.徐州:中国矿业大学.刘卫辉郭洁贺志坚等.钢结构柱脚设计要点综述.建筑结构():.中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑抗震试验规程:/.北京:中国建筑出版社.殷晓三.无明显屈服特征构件屈服点的确定与评价.地震工程与工程振动():.():.铁道建筑技术 ()