L形钢管混凝土柱抗震性能与应用研究.pdf

第 54 卷第 19 期 2023 年 10 月Vol.54 No.19 Oct.20232371 建 筑 技 术 Architecture TechnologyL 形钢管混凝土柱抗震性能与应用研究覃秋冬1，陆 琨1，陶 忠1,2，涂家祥1（1.昆明理工大学建筑工程学院，650500，昆明；2.云南省抗震研究中心，650503，昆明）摘要：为研究 L 形钢管混凝土柱在抗震性能方面的特点，并推广其在建筑结构中的应用。通过利用ABAQUS软件进行计算分析，以轴压比和钢管厚度作为参数，研究L形钢管混凝土柱的滞回曲线和骨架曲线。同时，结合实际建筑结构设计，利用 ETABS 软件进行整体框架结构的抗震计算。研究结果表明，L 形钢管混凝土柱具有施工简便、装配性高等优点，在提高建筑抗震性能方面具有应用潜力，适合在村镇建筑中广泛推广使用。关键词：L 形钢管混凝土柱；抗震性能；有限元；框架结构中图分类号：TU 398 文献标志码：A 文章编号：1672-6030(2013)19-2371-05STUDY ON SEISMIC PERFORMANCE AND APPLICATION OF L-SHAPED CONCRETE-FILLED STEEL TUBE COLUMNQIN Qiu-dong1,LU Kun1,TAO Zhong1,2,TU Jia-xiang1(1.Kunming University of Science and Technology,650500,Kunming,China;2.Yunnan Seismic Technology Research Center,650503,Kunming,China)Abstract:In order to study the seismic performance of L-shaped concrete-filled steel tube columns and promote their applications in buildings,the hysteretic curve and skeleton curve were studied by calculation and analysis with ABAQUS software,taking the axial compression ratio and steel tube thickness as parameters.Moreover,the seismic calculation of the whole frame structure was carried out with ETABS software in conjunction the actual building structure design.Results show that L-shaped concrete-filled steel tube columns have the advantages of simple construction and high assembly performance.They have application potential in improving the seismic performance of buildings,so they can be widely applied in rural buildings.Keywords:L-shaped concrete-filled steel tube column;seismic performance;finite element;frame structure云南省对建筑物抗震性能要求较高，且部分村镇住宅存在宅基地面积小，导致室内实际可用面积不足等问题。钢管混凝土异形柱具有较高的承载力，能够解决室内柱脚突出的问题，具有良好的装配性能，应用前景广阔。胡相宜1研究了方钢管混凝土异形柱支撑结构在高烈度区的抗震性能及减震效果。周钰婧2利用有限元对 L 形钢管混凝土柱节点开展抗震性能研究。张娟3以长细比、含钢率、轴压比为参数，通过试验及有限元计算，证明 L 形钢管混凝土柱具有良好的抗震性和耗能能力。赵炳震4研究了高层住宅结构的 SCFST 柱建筑形式在地震作用下受力性能等，对实际工程应用具有参考意义。王帅5对一榀两跨两层的钢管混凝土异形柱边框架进行拟静力试验，并利用有限元对试验中的框架进行了弹塑性数值分析。从相关地震调查67结果来看，村镇建筑由于设计和建造水平参差不齐，部分农房在地震中受损严重，造成巨大财产损失。目前由于暂没有针对适于村镇建筑的钢管混凝土异形柱抗震研究，利用 ABAQUS 建立有限元模型，施加恒定轴向力及循环水平力，绘制位移荷载骨架曲线、位移荷载滞回曲线，研究 L 形钢管混凝土异形柱的抗震性能，并结合云南省村镇建筑实际情况，利用 ETABS 对建筑结构框架进行抗震计算，分析其适用性。1 有限元模型概况根据村镇建筑实际需求，设计了一类无加劲措施钢管混凝土 L 形柱，外包钢管采用 Q235 钢，内灌混凝土为 C30。L 形柱的柱肢宽度取 200 mm，与村镇建筑实际墙厚相等，为方便进行有限元计算，按12 建立模型，因此柱肢宽度为 100 mm，柱肢长度收稿日期：20230721作者简介：覃秋冬（1998），女，广西壮族自治区河池人，硕士，e-mail:.建 筑 技 术第 54 卷第 19 期2372为 200 mm，各试件的高度取 900 mm。采用有限元软件 ABAQUS 对试件进行数值模拟分析，钢材采用五折线应变应力关系模型8，混凝土根据参考文献9采用塑性损伤模型（CDP 模型）定义混凝土材料。钢管采用四边形缩减积分壳单元（S4R）混凝土采用六面体缩减积分实体单元（C3D8R）。模型中钢管与混凝土之间为面面接触，法向接触采用“硬”接触，钢管采用绑定约束模拟焊接作用，离散化方法选择结点 表面。为有效模拟钢管混凝土 L 形柱在地震荷载作用下受力情况，对模型采用位移控制法，施加恒定轴向力及水平循环力。异形柱有限元模型如图 1 所示。（a）（b）图 1 异形柱有限元模型（a）钢管有限元模型；（b）内浇混凝土有限元模型2 异形柱抗震性能参数分析2.1 轴压比影响限制轴压比能够控制结构的延性，云南省部分地区抗震烈度高达 9 度，根据 GB 500112010建筑抗震设计规范（2016 年版）规定框架结构高度24 m，抗震等级为一级时，柱的轴压比限值为0.65。钢管混凝土柱轴压比限值可适当降低 0.05，因此轴压比取 0.6、0.5、0.4、0.3 为研究参数。滞回曲线分析结果如图2所示，输入位移较小时，不同轴压比的滞回曲线都为经过原点的斜线，此时钢管混凝土L形柱发生弹性变形；随着轴压比逐渐减小，滞回曲线越规则饱满。当轴压比取 0.5 和 0.6 时，滞回曲线形状不规则，试件延性差。当 L 形柱轴压比为 0.3 和 0.4 时，滞回曲线为较饱满的梭形，说明试件在此轴压比下抗震性能良好，能够满足抗震需求。图 3 为不同轴压比下钢管混凝土 L 形柱的位移荷载关系骨架曲线，形状呈 S 形。当位移荷载从 0 mm增加至 4 mm 时，骨架曲线为过原点的斜直线，此时不同轴压比 L 形柱均为弹性变形；位移荷载继续增加至 6 mm 时，轴压比越大，骨架曲线倾斜角度越小，（a）-20 0.6荷载/N位移/mm60 00040 00020 000060 00040 00020 00014141212101088664422（b）00 0.5荷载/N位移/mm60 00040 00020 000060 00040 00020 0001212101088664422（c）0.4荷载/N位移/mm60 00040 00020 000060 00040 00020 00012 141214101088664422（d）0 0.3荷载/N位移/mm60 00040 00020 000060 00040 00020 00014141212101088664422图 2 不同轴压比的滞回曲线（a）轴压比为 0.6 的滞回曲线；（b）轴压比为 0.5 的滞回曲线；（c）轴压比为 0.4 的滞回曲线；（d）轴压比为 0.3的滞回曲线峰值荷载越小，此时L形柱发生弹塑性变形；位移荷载增加至10 mm时，轴压比越大，骨架曲线越陡，极限位移对应的荷载也越小。说明当L形柱轴压比为0.3或0.4时，较轴压比为0.5或0.6的L形柱延性及抗震性能更好，刚度和承载力也更好。2023 年 10 月2373覃秋冬，等：L 形钢管混凝土柱抗震性能与应用研究 荷载/N位移/mm0551010151575 00075 00050 00050 00025 00025 0000.30.40.50.6图 3 不同轴压比骨架曲线2.2 钢管厚度影响考虑到乡镇偏远、建材运输成本高等问题，控制钢管厚度可有效控制经济成本。因此分别以 2 mm、3 mm、4 mm、5 mm 钢材厚度为参数，对钢管混凝土L 形柱抗震性能进行分析。图 4 为不同钢管厚度 L 形柱的滞回曲线，施加初始位移荷载时，不同钢管厚度的 L 形柱滞回曲线均为过原点的斜直线，钢管厚度越大直线斜率也越大，即初始刚度越大，此时 L 形柱发生弹性变形；钢管厚度取 3 mm、4 mm、5 mm 时，L 形柱滞回曲线均呈梭形，抗震性能较好。随着钢管厚度变大，滞回曲线对应的峰值荷载及曲线面积越大，抗震性能 越好。图 5 为钢管厚度不同时钢管混凝土 L 形柱的位移荷载关系骨架曲线，均呈 S 形。施加初始位移荷载阶段，钢管厚度不同的 L 形柱均为弹性变形，钢管厚度越大试件的初始刚度和承载能力都越大；随着荷载增加，不同钢管厚度骨架曲线区别逐渐明显，可以看出，钢管厚度越大则柱的延性和抗震性能越强，尤其极限承载力有较大差别，钢管壁厚由 2 mm 增大至 3 mm、4 mm、5 mm，相应的峰值荷载分别提高30.4%、54.8%、82.0%。3 异形柱框架结构抗震性能3.1 工程概况工程设计为 3 层框架结构，建筑总高 9 m，宽度9 m，高宽比为 1。结构抗震设防烈度为 8 度，设计地震分组为第 1 组，类场地，设计基本地震加速度峰值为 0.20 g，场地特征周期为 0.45 s，结构阻尼比为 0.04，属于丙类建筑。对钢管混凝土异形柱框架结构，使用建筑结构分析与设计软件 ETABS 进行计算分析。构件尺寸根据JGJ 1492017混凝土异形柱结构技术规程10上述对钢管柱参数化分析的已有成果设计，结构平面布（b）荷载/N3位移/mm60 00040 00020 000060 00040 00020 00014141212101088664422（c）0 荷载/N4位移/mm0100 000100 00080 00060 00040 00020 00080 00060 00040 00020 0001414121210108866442214（d）荷载/N5位移/mm0100 000100 00080 00060 00040 00020 00080 00060 00040 00020 000141212101088664422（a）荷载/N2位移/mm60 00040 00020 000060 00040 00020 0001212101088664422图 4 不同钢管厚度的滞回曲线（a）2 mm 钢管厚度滞回曲线；（b）3 mm 钢管厚度滞回曲线；（c）4 mm 钢管厚度滞回曲线；（d）5 mm 钢管厚度滞回曲线置如图6所示。3.2 模态分析结果框架结构各阶振型模态分析结果见表 1。由表 1 可知，x、y 方向平动周期分别为 0.820 s、0.726 s，扭转变形周期为 0.647 s。周期比 T3/T1=0.647/0.820=0.789，小于0.85且满足规范周期比不大于0.9的规定，说明结构抗扭刚度较大，满足使用要求。建 筑 技 术第 54 卷第 19 期2374 荷载/N位移/mm5051010100 000100 00050 00050 0000.30.40.50.6图 5 不同钢管厚度骨架曲线9 0003 6003 6001 80010 0005 0005 000图 6 结构模型的平面布置示意表 1 模态分析结果振型变形方向周期/s第 1 阶振型沿 y 方向平动0.820第 2 阶振型沿 x 方向平动0.726第 3 阶振型扭转变形0.6473.3 时程分析3.3.1 选取地震波根据模型结构阻尼比，特征周期及模态分析前三阶周期，使用 MATLAB 程序选取 2 条程序生成地震波和 5 条天然地震波。7 条波与规范反应谱的比较如图 7 所示，规范反应谱与地震波平均反应谱拟合，说明所选地震波可进行抗震计算。规范反应谱NGA2990CHICHI05.CHY107FPNGA185IMPVALL.H-HVPFPNGA175IMPVALL.H-E12FPNGA175IMPVALL.H-E12FNNGA163IMPVALL.H-CALFP0.4530.454平均反应谱0.40.350.30.250.20.150.10.050123456地震影响系数周期/S图 7 地震波与反应谱3.3.2 多遇地震时程分析地震波输入 ETABS 模型进行多遇地震时程分析，其 中 RG1、RG2 为 人 工 波，TR1、TR2、TR3、TR4、TR5 为天然波。表 2、表 3 为地震波基底剪力与反应谱基底剪力的比较，结果显示均处于80%120%范围内，满足规范 65%135%的要求，基底剪力比平均值为 103.80%和 106.15%，满足规范 80%120%的要求。表 2 基底剪力比较（x 方向）地震波基地剪力/kN地震波/RPXRPX 385.2921RG1X403.823 2104.81%RG2X374.733 597.26%TR1X423.811 2110.00%TR2X429.539 1111.48%TR3X395.971 9102.77%TR4X363.170 794.26%TR5X408.556 4106.04%平均值103.80%表 3 基底剪力比较（y 方向）地震波基地剪力/kN地震波/RPXRPY347.968RG1Y369.162 2106.09%RG2Y380.461 9109.34%TR1Y371.072 1106.64%TR2Y393.950 1113.21%TR3Y329.167 894.60%TR4Y337.360 496.95%TR5Y404.324 6116.20%平均值106.15%根据GB 500112010 建筑抗震设计规范（2016年版），8 度区地震加速度 0.15 g 应取加速度 70 cm/s2 进行多遇地震时程分析。表 4、表 5 为 U1、U2 方向地震加速度下结构 x、y 方向的最大层间位移及最大层间位移角。地震作用下 x、y 方向的最大层间位移角均小于 1/250，满足要求。3.3.3 罕遇地震弹性分析根据GB 500112010 建筑抗震设计规范（2016年版），8 度区地震加速度 0.2 g 应取加速度 400 cm/s2 进行罕遇地震时程分析。2023 年 10 月2375表 4 x 向地震作用下楼层最大位移地震波3 层位移/mm2 层位移/mm1 层位移/mmRG1x15.488.5832.725RG2x15.7558.7182.785TR1x16.5299.5073.07TR2x15.0448.6612.828TR3x15.9138.9862.881TR4x13.747.7022.431TR5x14.7298.1912.665表 5 y 向地震作用下楼层最大位移地震波3 层位移/mm2 层位移/mm1 层位移/mmRG1y19.26910.6983.321RG2y18.8810.463.235TR1y18.80310.3623.214TR2y17.8410.0173.178TR3y17.7469.7793.013TR4y14.2018.0082.556TR5y18.0039.9963.108表 6、表 7 为 U1、U2 方向地震加速度下结构 x、y 方向的最大层间位移与最大层间位移角。地震作用下 x、y 方向的最大层间位移角均小于 1/50，满足要求。表 6 x 向地震作用下楼层最大位移地震波3 层位移/mm2 层位移/mm1 层位移/mmRG1x88.43449.03515.569RG2x89.81449.6915.874TR1x94.4554.32517.545TR2x86.41149.74716.243TR3x88.90750.17316.11TR4x78.79244.17513.84TR5x84.17346.80915.231表 7 y 向地震作用下楼层最大位移地震波2 层位移/mm2 层位移/mm1 层位移/mmRG1y110.08161.11618.97RG2y108.16659.9318.535TR1y106.60958.7418.212TR2y101.39556.91618.056TR3y103.98857.33517.681TR4y81.51445.96614.67TR5y102.86357.11517.7584 结论通过使用 ABAQUS 及 ETABS 对 L 形钢管混凝土异形柱进行构件和整体结构抗震性能分析，可得到以下结论。（1）L 形钢管混凝土异形柱具有良好的抗震性能。在钢管柱的弹性变形阶段，轴压比的变化对其无明显影响；而在进入弹塑性变形阶段后，轴压比越小，其抗震性能越好。特别是当轴压比为 0.3 或 0.4 时，其滞回曲线呈现饱满状态，且不出现明显的捏缩现象，表现出理想的抗震性能。（2）外包钢管厚度变化对 L 形钢管混凝土异形柱的承载力影响明显。在钢管柱的弹性变形阶段，外包钢管厚度越大，其极限承载力也越大；而在进入弹塑性变形阶段后，钢管厚度越大，其骨架曲线越平 滑，展现出更好的延性。（3）根据云南省村镇建筑实际条件，建立 L 形钢管混凝土异形柱结构建筑模型，并进行计算。结果显示：结构的第3阶周期与第1阶周期之比为0.789，小于 0.9；x 向（0 ）、y 向（90 ）以及双向水平地震作用的最大层间位移角均小于 1/250；在 x 向和 y向多遇地震作用以及罕遇地震作用下，模型的最大层间位移角符合规定范围，满足 GB 500112010建筑抗震设计规范（2016 年版）要求。（4）综合以上结果，L 形钢管混凝土柱框架结构在合理选择设计参数的情况下，能够安全可靠地满足设计规范要求。因其具备高承载力、良好的抗震性能、施工简便和高装配性等优点，所以 L 形钢管混凝土适合在乡镇建筑结构施工中广泛推广应用。参考文献1 胡相宜.方钢管混凝土组合异形柱减震结构体系抗震性能研究D.天津:天津大学,2018.2 周钰婧.基于 ABAQUS 的 L 形钢管混凝土异形柱抗震性能研究D.唐山:华北理工大学,2017.3 张娟.L 形钢管混凝土柱的地震损伤分析及抗震性能研究 D.荆州:长江大学,2019.4 赵炳震.方钢管混凝土组合异形柱框架支撑结构体系力学性能研究 D.天津:天津大学,2018.5 王帅.装配式钢管混凝土异形柱边框架抗震性能研究 D.唐山:华北理工大学,2020.6 戴必辉,陶忠,徐国林,等.云南漾濞 M_S6.4 级地震震中区农房震害调查 J.世界地震工程,2021,37(3):918.7 戴必辉,陶忠,WAHAB,等.宁蒗 5.5 级地震农房震害调查与分析 J.自然灾害学报,2022,31(2):4855.8 钟善桐.钢管混凝土结构 M.北京:清华大学出版社,2003.9 韩林海.钢管混凝土结构 M.北京:科学出版社,2000.10 混凝土异形柱结构技术规程:JGJ 1492017S.覃秋冬，等：L 形钢管混凝土柱抗震性能与应用研究