型钢混凝土组合梁柱框架抗震性能数值模拟.pdf

l 8 6 四川建筑科学研究 S i c hu a n Bui l di ng S c i e n c e 第 3 9卷第 4期 2 0 1 3年 8月 型钢混凝土组合梁柱框架抗震性能数值模拟 国 君 ， 王 琨。 ( 1 哈尔滨工业大学建筑设计院， 黑龙江 哈尔滨1 5 0 0 9 0 ； 2 扬州大学建筑科学与工程学院， 江苏 扬州2 2 5 1 2 7 ) 摘要： 基于已完成的钢混凝土梁一 角钢t 昆 凝土柱框架的抗震试验， 采用有限元分析方法， 进行了两榀框架滞回性 能的数值模拟。结果显示， 此数值方法能够很好地模拟该类框架抗震性能与力学特性 ， 并为进一步系统研究此类 框架 的抗震性能提供一种有效的手段 。 关键词： 钢混凝土梁； 角钢混凝土柱 ； 框架； 抗震性能； 数值模拟 中图分类号： T U 3 7 5 1 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 8 1 9 3 3 ( 2 0 1 3 ) 0 41 8 6 0 4 Nu m e r i c a l s i mu l a t i o n f o r s e i s mi c p e r for ma n c e o f f r a me s t r u c t u r e o f e n c a s e d s t e e l c o n c r e t e b e a m a n d a n g l e s t e e l c o n c r e t e c o l u mn G U0 J u n WANG Ku n ( 1 T h e A r c h i t e c t u r a l D e s i g n a n d R e s e a r c h I n s t i t u t e o f H I T， H a r b i n 1 5 0 0 9 0 ， C h i n a ； 2 C o U e g e o f C i v i l S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g ， Y a n g z h o u U n i v e r s i t y Y a n g z h o u 2 2 5 1 2 7 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： B a s e d o n a n e x p e r i me n t a l r e s e a rch 0 n t w o fl a me s t r u c t u r e s o f s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a m a n d a n g l e s t e e l c o n c r e t e c o l u mn u n d e r h o fi z o n t M l o w e y c H c l o a d i n g ， r e s p e c t i v e l y， t h e n o n l i n e a r s t r u c t u r a l fin i t e e l e me n t a n a l y s i s mo d e l i s e mp l o y e d t o c a l c u l a t e t h e h y s t e r e t i e c u r v e s ， w h i c h i s v e r i fi e d b y t h e e x p e r i me n t a l r e s u l t s I t i s i n d i c a t e d t h a t t h e n u me ri c al me t h od c o u l d b e u s e d t o p e r f e e d y s i mu l a t e s e i s mi c p e r f o r ma n c e o f t h i s t y p e o f f r a me ， w h i c h c o u l d b e p r o v i d e d f o r d e e p l y r e s e a r c h o n s e i s mi c p e rf o r ma n c e o f t h i s t y p e o f f r a me i n s e i s mi c a r e a s Ke y wo r d s ： s t e e l c o n c r e t e b e a m； a n g l e s t e e l c o n c rct e c o l u mn； f r a me； s e i s mi c p e rf o r ma n c e； n u me ric al s i mula t i o n 0引 言 1 试 验概况 分离式套建增层技术是在不触动已有建筑的前 提下 ， 在既有建筑上通过外套框架增加若干层的新 型建筑技术。同济大学 J 、 山东建筑大学 分别 完成了低周反复荷载下预应力和非预应力钢骨混凝 土梁试验和梁柱为实腹式构件的型钢混凝土框架试 验 。为保证套建增层过程中既有房屋 的正常使用 ， 避免将施工阶段荷载传至原房屋屋盖， 作者提出了 “ 施工阶段 自承重楼盖” 的思想 ： 以型钢混凝土梁 作为框架梁、 角钢混凝土柱为框架柱的框架结构。 基于已完成的水平低周反复荷载作用下， 两榀型钢 混凝土梁一 角钢混凝土柱框架抗震试验， 采用有限元 分析方法， 进行了两榀框架滞回特性的数值模拟， 为 开展该类框架工程抗震研究提供一种很好的手段 。 收稿 日期 ： 2 0 1 2 -O 5 - 2 1 作者简介 ： 国君 1 9 5 4一) ， 男 ， 学 士 ， 工程 师， 主要从 事岩土工程 、 结构工程 设计与实践 。 基金项 目： 国家 自然科学基金资助项 目( 5 0 9 7 8 1 5 8 ) E ma i l ： g o j u n h i t 1 6 3 c Im 试验中 ， 两榀型钢混凝土梁一 角钢混凝土柱框架 S R C F和 P S R C F 。两榀框架配筋构造详见 图 1 。以 套建框架底层为对象 ， 试件 的柱剪跨 比为 5 、 轴压 比 为0 1 。预应力筋采用 1 6 7 0级 5 钢丝 ， 曲线布置。 波纹管采用 t h 3 3的塑料波纹管， 并在张拉完预应力 筋后灌浆。两榀框架采用 C 4 0混凝土。框架粱 内 部钢梁采用两侧加焊型钢锚脚 ， 达到钢梁在节点内 不发生粘结滑移破坏。试件中， 将纵筋置于钢梁上 、 下侧 ， 梁纵筋在节点内穿越型钢锚脚 ， 采用加劲肋加 强， 见图 1 ( a ) 及 1 ( b ) 中的截面5 5和6 - 6 。预应 力 筋一端张拉， 张拉控制应力 为 1 2 5 0 N rn r n ， 计 算得到， 框架梁中预应力筋的有效预应力值 。 为 1 2 0 0 N tu r n 。工字钢、 角钢和钢板为 Q 2 3 5 ， 纵筋为 I I 级 ， 箍筋为 I 级。表 1为型钢 、 钢板 、 钢筋 的力学 参数； 表2为预应力筋的力学参数； 混凝土的力学参 数见表 3 。试验中， 加载及加载装置详 见图 2 ， 加载 方案如图 3所示 。 国 君， 等： 型钢混凝土组合梁柱框架抗震性能数值模拟 1 8 7 3 5 0 3 Q o 3 7 0 0 3 3 5 a 1 - j I 。 4 5 1 r T l l N U 2 5 0 0 O 0 1 r 51 z 一 I 三 l I I l I I 3I 4 1 ll I I l l I ll l I I l l l lI II I l 1 l 1 I 羹 I I I I I l I I I 1 I I I l Il I I I l l ： 一 8 、 = f = n 3 2 4 - 4 f b ) P S R CF 配筋图 逦 加羽 一 三 l ! 图1 两榀框架的配筋( 单位 ： m m) F i g 1 R e i n f o r c e me n t s o f t w o s p e c i me n s( u n i t s n l l ) 表 1 钢材的力学参数 Ta b l e 1 M ech a n i c a l p r o p e r t y o f s t e e l 表2 预应力筋的力学参数 Ta b l e 2 M e c h a ni c al p r o p e r t y o f p r e s t r e s s i n g t e n d o n s 2滞回性能的数值模拟 2 1 基本假定 采有限元方法， 针对试验 ，数值模拟了低周反复 加载下两榀试验框架滞 回过程。基于假定 ： 受力中， 框架梁、 柱变形符合平截面条件； 预应力筋、 非预应 昌 宝 4 2 0 0 景 、 、 2 O 一 f 5 2 0一 i 垒 Q Q l 3 - 3 4 4 2 0 宴 、 2 妒 2 0 一 l 5 2 O一 表3 混凝土的力学参数 Ta b l e 3 M ech a nic a l pr o p e r t y o f c o n c r e t e 力筋、 型钢与混凝土的粘结可靠 ； 构件受弯先于受剪 破坏 ； 节点不破坏 ； 不考虑混凝土收缩 、 徐变等影响。 2 2 计算模型 两榀框架为单层单跨框架结构， 将其离散为梁、 柱构件， 采用杆系模型为结构整体分析力学模型， 单 元模型处理为集中塑性铰单分量模型。 首先 ， 在出现塑性铰可能的位置预设单元节点。 框架模型单元划分见图4 ， 柱划为一个单元， 梁划为 6个单元 ， 预应力筋反弯点 、 竖向集中荷载作用点 和 跨中处设为节点。非预应力框架模型仍选用图4划 分单元模式。 荤 l 8 8 四川建筑科学研究 第 3 9卷 3 00 k N 3 00 ( a ) 受力简圈 f b ) 加载装置 图2 加载及加载装置 F i g 2 Lo a d i n g me t h o d a n d d e v i c e o f s p e c i me n l 口 J 刀 0 时 间 ( a 1 竖向荷载加载制度 j 34y 八 八八 八 八 IlI V V V V V V 荷载控制 位移控制 f b ) 水平荷载加载制度 图 3 加载工况 F i g 3 Lo a d i n g p r o g r a ms 60 073 06 7 0 6 7 0 7 3 0 6 00 计 图 4框架的分析模型 F i g 4 An a l y t i c mo d e l f o r f r a m e 2 3预应 力作 用的处 理 这里 ， 需要对预应力作用采用一定转换 ， 将预应 力结构转换为非预应力结构。根据文献 5 中的预 应力两阶段基本原理 ， 将预应力框架转化为如图 5 所示并含有“ 第二阶段预应力筋” 的非预应力框架 ， 并在两个 阶段下荷载叠加。转换后非预应力框架中 “ 第二阶段预应力筋” 本构关系的原点 由预应力钢 筋本构关系原点 O偏移至有效预应力点 O 处 ， 如图 6所示 引。 图5预应力框架 非预应 力框 架的转换 Fi g 5 Co n v e r s i o n f r o m pr e s t r e s s e d f r a me t o n o r ma l o n e 图 6中， E 为 比例阶段对应弹性刚度 ； E p 2 为非 比例阶段对应弹性刚度 ； E 为条件屈服后对应屈服 刚度 。 、 g 。 分别为预应力筋 比例极限处应力和应 变 、 。 ： 分别为预应力筋条件屈服处应力 和应变； 、 部分别为预应力筋极限处对应的应力和应变。 2 4 材料本构模型 图7 9表示为混凝土 、 钢材和预应力筋应力一 图6 预应力筋的本构关 系变换 Fi g 6 Co n v e r s i o n o f c o n s t i t u t i o n f o r pr e s t r e s s i n g t e n d o ns 应变关系曲线 ， 图中 E 为混凝土的初始弹性模型 ； 为峰值应力对应的混凝土压应变； 占 。 为极 限压应 变 为混凝土抗压强度； 为混凝 土抗拉强 度； ( ) 为钢材抗拉( 抗压) 强度。 2 5梁柱恢复力模型 梁柱采用了不考虑混凝土开裂影响的两折线形 式 P a r k 恢复力模型 J ， 如图 1 0所示。通过 已有计 国 君 ， 等： 型钢混凝土组合梁柱框架抗震性能数值模拟 1 8 9 ocJ 一 ； i 0 人 2 岛 图 7 混凝土应 力一 应变 关系 曲线 F i g 7 S t r e s s - s t r a i n rel a tio n s h i p o f c o n c re t e ” 。 J ； 。 1 8y ， 图 8 钢 的应 力一 应变关系 曲线 Fi g 8 S t r e s s - s t r a i n re l a ti o n s hip o f s t e e l Up J ， 2 - 。 l。0 3 图 9 预应力钢筋应力一 应 变关系曲线 F i g 9 S t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s hip o f p r e s t r e s s i n g t e n d o n s 算经验 ， 选取了构件截面的退化参数见表 4 ， 据 此确定梁柱的恢复力模型。 表 4 构件的截面退化参数 Ta bl e 4 De g e ne ra t e d pa r a m e t e r s f o r c r o s s s e ct i o n 3 数值模拟验证 2 00 1 0 O 童 0 1 0 0 2 0 0 试验 计 算 1 1 5 0 1 00 5 0 0 5 0 1 0 0 1 50 A mm 试验 一 计算 一= l I -1 5 0 - 】 0 0 - 5 0 0 5 0 l 0 0 1 5 0 t i tan 图 1 O 计算与试验滞回曲线比较 Fi g 1 0 Co mp a r i s o n o f h y s t e r e t i c c u r v e s for s p e c i me n s o b t a i n e d f r o m t e s t a n d c aic u l a t i o n Z 芒2 0 0 o o I n 0 。 0 o - 5 0 D 5 0 l 0 o 1 d mm = ： 2 00 mm l0 。 2 0 0 一 试验 计 算 1 0 0 ? s o。 啪 2 0 0 05 O 1 o o1 d 0 i r ， 图 l 1 计算与试验骨架曲线比较 Fi g 1 1 Co m p a r i s o n o f s k e l e t o n c u r v e s f o r s p e c i me n s o b t a i n ed f r o m t est a n d c a l c u l a t i O n 1 ) 加载过程中， 模拟的框架滞回曲线的初始刚 度与试验结果吻合很好， 其骨架曲线峰值相差 5 以内； 2 ) 模拟得到的滞回曲线加载 、 卸载 刚度和残余 变形等与试验结果变化趋势 比较接近 ， 得 出前文选 择的计算包括退化参数具有很高的可信度与合理 性 。 黼惹 慧 4结 论 的 数 值 模 拟 与 分 析 ，得到框架的滞 回曲线与试验值 。 ； 日 对比， 如图 1 0 所示， 骨架曲线对比如图 1 1 所示。 1 ) 直接针对以角钢骨架替代钢筋的角钢混凝 可见， 试验值与模拟结果吻合较好 ： ( 下转第1 9 9页) O 2 之 五、 2 0 1 3 N o 4 粱炯丰， 等： 大型火电厂钢结构主厂房弹塑性地震反应分析 1 9 9 面 ， 使得结构薄弱层部位较多 ， 因此 ， 对于薄弱层 的 设计要特别予 以重视。 3 ) 支撑和框架梁首先产生塑性变形 ， 随后是下 层柱底及 中下层柱 端产 生塑性铰 ， 结构 的两个方 向 框架柱构件出现塑性铰较少 ， 可抵抗 8度地震作用。 4 ) 主厂房结构 的变形 以剪切变形为主 。在 、 Y 向地震作用下 ， 结构 的层 间位移角曲线形状和层剪 力差异较大， 且存在多处拐点 ， 其主要原因为刚度沿 竖向分布不均匀 。 5 ) 随着地震作用 的增大 ， 框架和排架之 间的塑 性内力重分布有所体现 ， 排架承担 的地震作用在框 排架中较大， 框排架结构 中排架结构可承担第二道 防线的作用。 参 考 文 献 ： 1 张文元， 于海丰， 张耀春， 等 大型火电厂钢结构主厂房铰接中 心支撑框架体系的振动台试验研究 J 建筑结构学报， 2 0 0 9 ， 3 0( 3 ) ： 1 1 1 9 2 彭修宁， 薛建阳， 刘祖强， 等 刚性钢框架异型节点性能及设计 方法 J 土木建筑与环境工程， 2 0 1 0 ， 3 2 ( 3 ) ： 2 2 - 2 6 3 薛建阳 ， 刘祖强 ， 彭修宁 ， 等 钢结构异型 节点受 力性能及非线 性有限元分析 J 西安建筑科技大学学报， 2 0 1 0 ， 4 2 ( 5 ) ： 6 0 9 6 1 3 4 薛建阳 ， 胡宗波 ， 彭修宁 ， 等 钢结构箱形 柱与梁异型节点破坏 机理的试验研究 J 建筑结构学报， 2 0 1 0 ( S u p p 1 I ) ： 5 0 - 5 4 5 薛建阳， 刘祖强， 胡宗波 ， 等 钢框架异型节点核心区的受剪机 理及承载力计算 J 地震工程与工程振动， 2 0 1 0 ， 3 0 ( 5 ) ： 3 7 4 1 6 G B 5 0 0 1 1 2 O 1 O 建筑抗震设计规范 s 7 F e d e r al E m e r g e n c y M a n a g e m e n t A g e n c y ， B u i l d i n g S e i s m i c S a f e - t y C o u n c i l S 8 N E H R P G u i d e l i n e s f o r t h e S e i s m i c R e h a b i l it a t i o n o f B u i l d i n g s F E MA- 2 7 3， 1 9 9 7 9 G u p t a B ， K u n n h S K A d a p t i v e s p e c t r a - b a s e d p u s h o v e r p r o c e d u r e f o r s e i s m i c e v a l u a t i o n o f s t r u c t u res J E a r t h q u a k e S o e c t ， 2 0 0 0， 1 6 ( 2 ) ： 3 6 7 9 1 1 0 K a r a v a s i l i s T L ， M a x i m u m d i s p l a c e m e n t p r o fi l e s f o r t h e p e rf o r m - R n c e b a s e d s e i s mi c d e s i g n o f p l a n e s t e e l mo me n t r e s i s t i n g fl a me s J E n g i n eer i n g S t r u c t u re a ， 2 0 0 6 ， 2 8 ： 9 - 2 2 ( 上接第 1 8 9页) 土柱一 型钢混凝土梁形成的框架抗震试验 ， 采用有限 元计算方法 ， 实施 了水平低周反复荷载作用下 ， 两榀 H型钢混凝土组合梁一 角钢混凝土柱两榀框架的滞 回抗震性能模拟与分析。 2 ) 该数值模拟结果与试验结果吻合较好 ， 表 明 本文采用 的恢复力模型能够适用于此类框架的抗震 性能分析。 参 考 文 献： 2 郑 文忠 套建增层 预应力 钢骨混凝 土框架 弹塑性 地震反 应分 析 J 地震工程与工程振动， 2 0 0 8 ， 2 8 ( 4 ) ： 9 1 1 0 5 薛伟辰， 杨枫， 苏旭霖， 等 预应力钢骨混凝土梁低周反复荷 载试验研究 J 哈尔滨工业大学学报， 2 0 0 7 ， 3 9 ( 8 ) ： 1 1 8 7 1 1 9 0 谭军 ， 解恒燕 ， 李忠 民 绥 芬河青云市场 套( 扩 ) 建工程结 构 设计方 法与施工措施研 究 J 土木工程 学报 ， 2 0 0 6( 1 1 ) ： 6 8 7 6 傅传国， 娄宇 预应力型钢混凝土结构试验研究及工程应用 M 北京： 科学出版社， 2 0 0 7 赵鸿铁 钢与混凝土组合结构 M 北京： 科学出版社， 2 0 0 1 刘铁 套建 增层 框架结 构房屋设计 与施 工方 法研究及 实践 D 哈尔滨 ： 哈尔滨工业大学。 2 0 0 6 P a r l (Y J ， Re i n h o m A M and Ku n n a t h S K I DARC： i n e l ast i c d a m age a n a l y s i s o f r e i n f o r c e d c o n c ret e f r a me - s h e a r - wa l l s t r u c t u res R 。 T e c h n i c a l R e p o r t N o N C E E R - 8 7 - 0 0 0 0 8 ， S t a t e U N I V o f Ne w Yo r k， 1 9 8 7 王琨 ， 郑文忠 套建增层预应力钢骨混凝 土框架弹塑性地震 反应分析 j 地震工程与工程振动 ， 2 0 0 8 ， 2 8 ( 4 ) ： 9 4 1 0 5 计静 套建增层 预应力钢 骨混凝土框 架抗震性 能与设 计方 法研究 D 哈尔滨： 哈尔滨工业大学 ， 2 0 0 8 1J 1；、 J 1J 1J