型钢混凝土柱恢复力特性的数值模拟.pdf

l 8 四川建筑科学研究 S i e hu a n Bu i l d i n g S ci e n c e 第 3 8卷第 6期 2 0 1 2年 1 2月 型钢混凝土柱恢复力特性的数值模拟 李凯文 ，一 ， 邹 昀。 ( 1 无锡城市职业技术学院， 江苏 无锡2 1 4 1 5 3 ； 2 无锡环境科学与工程研究中心， 江苏 无锡2 1 4 1 5 3 ； 3 江南大学环境与土木工程学院， 江苏 无锡2 1 4 1 2 2 ) 摘要 ： 为了研究 型钢对混凝土柱力学性能 的影 响 ， 利用有 限元分析软件 A B A Q U S建立 两组钢骨 混凝土柱 与普通 混凝土柱的对比分析模型， 进行了单调加载与循环往复加载下的非线性有限元分析。对 比分析结果表明， 单调加 载下型钢混凝土柱( S R C ) 的承载力与变形能力明显高于普通混凝土柱( R C ) ； 在循环往复荷载作用下， 型钢混凝土 柱的滞回环比普通混凝土柱饱满， 型钢混凝土柱的耗能能力达到普通混凝土柱的 1 4倍以上。进一步比较分析轴 压力系数和配箍特征值对型钢混凝土柱的滞回特征、 耗能和骨架曲线的影响， 发现柱轴压力系数的变化对型钢混 凝土柱的耗能有影响， 而配箍特征值对型钢混凝土柱的耗能的影响不大。分析结果对工程型钢混凝土柱的设计和 应用有一定借鉴作用。 关键词： 型钢混凝土柱； 有限元分析 ； 轴压力系数； 滞回曲线； 耗能 中图分类号 ： T U 3 2 3 1 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 2 ) 0 6 0 1 8 0 4 0 引 言 1 有 限元分析模型 型钢混凝土( S R C) 结构是钢一 混凝土组合结构 的一种形式 。与传统的钢结构或混凝 土( R C ) 结构 相 比， S R C结构具有很强的性能优势和经济优势， 在 国内外被广泛应用 。恢复力模型是根据大量从 试验 中获得的恢复力与变形的关系曲线经适当抽象 和简化而得到的实用数学模型 ， 是结构构件的抗震 性能在结构弹塑性地震反应分析中的具体体现。国 内外有关专家学者对普通混凝土框架柱在恢复力特 性方面做了大量的试验研究 ， 并提出了一系列 的恢 复力特性的计算模型， 这些研究成果对 型钢混凝土 构件恢复力模型的研究具有重要借鉴意义。型钢混 凝土结构是介于钢筋混凝土结构和钢结构之问的一 种结构 ， 它兼有钢筋混凝土和钢结构的一些特点 ， 构 件 的恢复力特性也介于两者之间。当型钢含量较少 时， 恢复力特性接近于钢筋混凝土构件的特性 ； 当型 钢含量较多时， 型钢混凝土构件在一定条件下明显 地具有了钢构件 的某些特性。故在此 ， 对型钢混凝 土的恢复力特性进行非线性数值模拟。 收稿 日期 ： 2 0 1 1 -0 7 -07 作者简介 ： 李凯文 ( 1 9 6 8一) ， 男 ， 江苏 无锡人 ， 硕士 ， 研究员 级高工 ， 主要从 事混凝土结构理论和结构加 固方面的研究。 基 金项 目： 江苏省第七批“ 六大人 才高峰 ” 项 目( J Y - 0 6 0 ) ； 中央高校 基本科研 业务费专项资金( J u s R P 2 1 o o 5 ) E ma i l ： z o u y un 2 2 1 2 6 t o m 画 ： 一 一 ( a ) 钢筋与钢骨模型 ( b ) 混凝土模型 图 2 分析模型 2 0 1 2N o 6 李凯文， 等 ： 型钢混凝土柱恢复力特性的数值模拟 1 9 1 2材料的本构关系 1 2 1 混 凝 土本构 关 系 对于 S R C柱 ， 可划分为箍筋外无约束混凝土区 和箍筋 内有约束混凝土区 ， 箍筋外认为混凝土处 于 单轴受压应力状态 ， 采用 S a e n z 模型来模拟无约束 区混凝土单轴受压应力一 应变关系。箍筋 内认 为混 凝土处于多轴受力状态 ， 可等效 为单轴受压应 力状 态 ， 所采用的混凝土应力一 应变曲线如图 3所示 。 图 3 混凝土受压 的应 力一 应变关系 1 2 2钢材 本构 关 系 分析 中纵筋、 箍筋和型钢均采用常用的多折线 性随动强化模型 ( MK I N) ， 如 图 4所示。泊松 比均 为 0 2 5 。钢材受拉超过屈服平 台后进人强化段 ， 强 化段简化为直线 ， 屈服平 台对应 的最 大应变 即假设 为 。 = 4 e 。受拉钢筋 和型钢翼缘的极 限拉应变根 据 、 E 、 E 计算得到。分析模型 中钢材的力学 性能指标见表 1 。 岛 图 4 钢材本构关 系 表 1 钢材材料性能 类型 击 1 2 8 击 1 O 型钢 l MP a l MP a l 2 8 1 0 6 2 0 2 0 3 5 3 7 9 2 5 7 0 51 3 4 0 2 3 3 0 4 6 6 1 1 1 5 3 0 3 o 9 5 9 5 7 4 2 2 5 23 3 5 4 92 8 0 4 0 3 95 2 S R C柱与 R C柱对比分析 2 1 单调加载下的性能对比 为了研究型钢对混凝土柱力学性能的影响 ， 建 立 2组 S R C柱与 R C柱 的对 比分析模 型， 2组试件 采用不同的轴压比， 其余信息均相同( 相同的截面 尺寸、 混凝土等级 以及箍筋配筋率) 。构件 的基本 信息见表 2 。在柱顶施 加相同的位移 ， 单调荷载作 用下得到各构件的 P一 曲线。对 比分析结果如 图 5所示 。 表 2 S R C柱 与 R C柱模型参数 图 5 S R C柱 与 R C柱 的 P一对 比曲线 图 5反映出在截面尺寸与材料特性相同的材料 情况下 ， 钢骨对于柱 的承载力有明显提高 ， 同时 ， 构 件的变形能力也得到改善 。 2 2 S R C柱与 R C柱的滞 回性能分析 循环往复荷载作用下， 得到不同构件的滞回曲 线。将各组钢骨混凝土柱与普通混凝土柱模型的滞 回曲线绘制在同一幅图中， 如图 6所示。很显然 ， 钢 骨混凝土柱与普通混凝土柱的滞回特性具有明显差 异 ， 钢骨混凝土柱的滞 回曲线 比普通 混凝土柱的滞 回曲线饱满， 说明地震作用下 ， 钢骨混凝土柱的抗震 性能得到了明显改善。 曩 图 6 S R C与 R C柱 滞回 曲线对比 利用最大 的滞 回环进一步计算的 2柱 的耗能能 力及耗能结果对 比见表 3 。由表 3看 出， 型钢混凝 土柱的耗能能力达到普通混凝土柱 的 1 4倍以上。 轴压比越小 ， 型钢混凝土柱 的耗能能力提高越多 表 3 耗能结果对 比 四川建筑科学研究 第 3 8卷 3 响 3 1 不 同参数对 S R C柱 滞 回性 能 的影 轴压 比的影响 建立 S R C 3 、 S R C 4、 S R C 5共 3根柱模型， 轴压比 分别为 0 1 5 、 0 3 0和 0 4 0 ， 模型具体参数见表 4 。 表 4 不同轴压比下模型的参数 3 1 1 滞 回 曲线 循环往复荷载作用下 ， 得到不 同构件 的滞 回曲 线 ， 如图7所示。 ( a 】 $ E C3 规模 ( b ) S E C 4 规模 ( b ) S E C 5 规 模 图 7 不 同轴压 比 S R C柱 滞回 曲线 3 1 2 耗能能力和骨架曲线 绘出3根构件最大的滞回环， 如图 8 9 所示。 通过计算滞 回环所包围的面积可以得到不同轴压 比 下型钢柱的耗能能力 ， 耗能结果对 比见表 5 。 表 5 不同轴压 比 S R C柱耗能结果对比 构件编号 耗能 k J S RC 3 S RC A S RC 5 2 3 0 6 9 7 2 4 6 4 0 7 2 6 1 3 6 4 _ 一 ： ： -6 0 4 O - 2 0 0 2O 40 6 O 位 移 n u n 图 8 不同轴 压比 S R C柱滞 回环 3 0 0 2 00 1 0 0 霜0 柱 一 1 0 0 。2 0 o -3 O 0 ： 塔 _- 一 S R C 3 _ 一SRC4 一SRC5 _ l -6 0 - 40 - 20 0 2 0 4 0 6 O 位移 mm 图 9 不同轴压比 S R C柱 骨架曲线 3 2不 同配箍 率 的影响 建立 S R C 3 、 S R C 4 、 S R C 5 3根柱模型 ， 纵筋全截 面的配筋率为 0 7 5 。箍筋为 6 8 1 0 0 、 8 6 5和 6 1 o 6 5 ； 柱截面尺寸和构件参数见表 6 。 表 6 不同配箍率下模型的参数 3 2 1 滞回曲线对比 在柱顶施加往复荷载 ， 得到构件 的滞回曲线如 图 1 Ol 1 所 示 。 3 2 2 耗 能性能和 骨 架曲线 通过计算滞 回环所包 围的面积可以得到不同配 箍率下型钢柱的耗能能力 ( 表 7 ) 。 表 7 不 同配箍率耗能结果对 比 构件编号 耗 能 k J S RC4 S RC6 S RC7 2 4 6 4 0 7 2 41 2 2 9 2 58 1 7 3 由滞 回曲线进一步得到不 同配箍率 ， 构件的骨 架曲线如图 1 2所示。 4 结 论 本文 利用有 限元分析软 件A B AQ U S 对 型钢 混 姗 瑚 m o 瑚 蚤 、 辚耀 2 O 1 2N o 6 李凯文， 等： 型钢混凝土柱恢复力特性的数值模拟 2 l 至 罱 i ； 控 图 l O 不同配箍率 S R C柱滞 回曲线 一 一 1 ：L 三 *6 0 - 4 O 一 2 0 0 2 0 40 6 O 位移 r a m 图 1 1 不 同配箍率下 S R C柱滞 回环 S RC4 S RC6 S RC7 图 1 2 不 同配箍率下 S R C柱 骨架 曲线 凝土柱( S R C) 进行 了静力加载与循环往复加载下的 非线性有限元分析。得到结论如下 ： 1 ) 单调 加载下型钢混凝土柱 ( S R C) 的承载力 与变形能力明显高于普通混凝土柱( R C) ； 2 ) 在循环往复荷载作用下 ， 型钢混凝 土柱的滞 回环 比普通混凝土柱饱满 ， 型钢混凝土柱 的耗 能能 力达到普通混凝土柱 的 1 4倍以上 ； 3 ) 相同条件下 轴压 比对型钢混凝土柱 的滞 回 特征、 耗能和骨架曲线有影响 ， 随着柱轴力减小 ， 型 钢混凝土柱的耗能能力有所降低 ； 4 ) 相同条件下 ， 配箍特征值对型钢混凝土柱的 耗能的影响不大。 参 考 文 献 ： 郭子雄 ， 张志伟 ， 黄群贤 ， 等 型钢混凝土柱恢 复力 模型试验研 究 J 地震工程与工程振动， 2 0 0 9 ， 2 9 ( 5 ) ： 1 0 1 6 朱 伯龙 ， 张琨联 矩形及环形截面压弯构件恢复力 特性的研究 J 同济大学学报 ， 1 9 8 1 ， 9 ( 2 ) ： 1 - 1 0 Ki m S E， C h e n W F P r a c t i c a l a d v a n c e d a n aly s i s f o r b r a c e d s t e e l f r a m e d e s i g n J S t r u c t u r a l E n g i n ee r i n g ， 1 9 9 6 ， 1 2 2 ( 1 1 ) ： 1 2 5 9 1 2 6 5 郭 子雄 ， 吕西林 高轴压 比下 R C框架柱恢 复力模型试 验研究 J 土木工程学报， 2 0 0 4 ， 3 7 ( 5 ) ： 3 2 - 3 8 刘良 林 ， 王全凤 ， 沈章春 基于损伤的累积滞回耗能与延性系 数 J 华 侨大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 0 9， 3 0 ( 2 )： 1 8 6 1 9 0 Ge r o me l M ， Ma z z a r e l l a 0 E x p e r i me n t al a n d a n aly ti c al a s s e s s me n t 0 f t h e b e h a v i o r o f s t a i n l e a s s t eel mi o wed c o n c r e t e bea ms J Ma t e ri a l s and S tr u c t u r e s ， 2 0 0 5 ， 3 8 ( 2 ) ： 2 1 l - 2 1 8 Z h e n g We n z h o n g ， J i J i n g D y n a mi c perfo r manc e of a n g l e s t e e l c o n c r e t e c o l u m n s u n d e r l o w c y c l i c lo a d i n g I ： E x peri m e n t a l s t u d y J E a r t h q u a k e E n g i n eeri n g and E n gin eeri n g V i b r a t i o n ， 2 0 0 8， 7( 1 ) ： 6 7- 7 5 郭子雄 ， 杨勇 恢复力模型研究现状及存在的问题 J 世界 地震工程 ， 2 0 0 4， 2 0 ( 4 ) ： 4 7 - 5 1 1 I 1 j 1j 1J |二| 姗 枷 o啪 枷 瑚 五 、 赫挺