方鋼管混凝土柱抗震性能影響因素的研究

鄭 杰,劉繼明,毛林濤,周 飛,紀(jì)榮榮

(青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院,山東青島 266033)

方鋼管混凝土柱抗震性能影響因素的研究

鄭 杰,劉繼明,毛林濤,周 飛,紀(jì)榮榮

(青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院,山東青島 266033)

確定了方鋼管混凝土中鋼材和混凝土材料的本構(gòu)關(guān)系。利用有限元分析了低周反復(fù)荷載下試件寬厚比、長(zhǎng)細(xì)比、軸壓比和內(nèi)部混凝土抗壓強(qiáng)度等因素對(duì)構(gòu)件抗震性能的影響。為方鋼管混凝土框架柱的抗震設(shè)計(jì)提供參考,推動(dòng)方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中更為廣泛的應(yīng)用。

方鋼管混凝土; 本構(gòu)關(guān)系; 抗震性能

近年來鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在我國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用,方鋼管混凝土是鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的一個(gè)組成部分,與圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)處于同等地位。較之圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu),方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)具有抗彎性能好、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式簡(jiǎn)單、外形規(guī)則等優(yōu)勢(shì),在高層超高層建筑、地下結(jié)構(gòu)、橋梁及港口工程等建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。作為組合結(jié)構(gòu),內(nèi)填的混凝土改變了鋼管的屈曲模式,阻止了鋼管的內(nèi)向屈曲,提高了鋼管混凝土柱的穩(wěn)定性和承載力;而外包鋼管的約束作用使承載時(shí)的核心混凝土處于三向壓應(yīng)力狀態(tài),改善了混凝土的受壓性能[1]。另外,在鋼管混凝土的施工過程中,鋼管還可以作為澆筑其核心混凝土的模板。就目前而言,圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)柱技術(shù)較為成熟,我國(guó)做了很多研究,也有相應(yīng)的規(guī)程可以遵循,而方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究還不甚成熟。我國(guó)屬于多地震國(guó)家之一,隨著方鋼管混凝土在我國(guó)地震區(qū)高層建筑中的推廣應(yīng)用,對(duì)方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行研究顯得尤為重要。

1 反復(fù)加載情況下材料的應(yīng)力 -應(yīng)變關(guān)系模型

1.1 鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型

本文在進(jìn)行方鋼管混凝土構(gòu)件滯回性能的研究時(shí),采用如圖 1[2]所示的鋼材應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,可以較好地反映其滯回特性。循環(huán)荷載作用下鋼材的本構(gòu)模型是由骨架曲線和加載、卸載兩部分組成,即彈性段(oa)和強(qiáng)化段(ab)。模型中考慮了鋼材的強(qiáng)化作用和包辛格(Bausinger)效應(yīng),即正向屈服應(yīng)力的提高會(huì)促使反向屈服應(yīng)力的降低。彈性段剛度為ES,強(qiáng)化段剛度取0.01ES,加卸載剛度采用鋼材初始彈性模量。d點(diǎn)的反向加載線與通過(0,-0.35)點(diǎn)平行于ab段直線。繼續(xù)反向加載,進(jìn)入軟化段 de,其模量最小取值為 KS=0.1ES,繼續(xù)反向加卸載過程用直線段a′c′d′來表示,其模量最小取值為KS=0.1ES。直線段de和de的模量用Eb來表示,其模量取值按式(1)確定。

式中:σd和εd分別為軟化段起始點(diǎn)d點(diǎn)和d'點(diǎn)的應(yīng)力和應(yīng)變值。

圖1 反復(fù)荷載作用下鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

1.2 混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型

在反復(fù)循環(huán)荷載作用下,有關(guān)研究者進(jìn)行過大量鋼筋混凝土中混凝土材料應(yīng)力 -應(yīng)變滯回關(guān)系曲線的試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)混凝土的骨架曲線基本上接近于單向加載的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,因此提出鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在反復(fù)循環(huán)荷載作用下,其混凝土材料的應(yīng)力 -應(yīng)變滯回關(guān)系骨架曲線可用單向加載應(yīng)力-應(yīng)變曲線來代替。由于對(duì)方鋼管混凝土動(dòng)力性能的研究開展得尚不充分,而針對(duì)其核心混凝土材料應(yīng)力 -應(yīng)變滯回關(guān)系的試驗(yàn)研究未見有報(bào)道,因此在確定方鋼管混凝土的核心混凝土應(yīng)力 -應(yīng)變滯回關(guān)系骨架曲線時(shí),采用單向加載的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線代替,如圖2所示。E.S.Chen和0.Buyukozturk于1985年提出了混凝土邊界面模型是一種功能較強(qiáng)的模型[3],可以用于混凝土三向受力的情況,如混凝土的非線性應(yīng)力 -應(yīng)變關(guān)系,循環(huán)荷載作用下的剛度退化現(xiàn)象等,如圖 3。

圖2 混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖 3 混凝土邊界面模型

受壓區(qū)混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系按式(2)確定[4]:

式中:ξ為約束效應(yīng)系數(shù);fc為混凝土圓柱體軸心抗壓強(qiáng)度。

受拉區(qū)混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系按式(3)確定:

σp=0.26(1.25fc)2/3;εp為峰值拉應(yīng)變,εp=43.1σp(με)。

2 有限元分析

2.1 有限元研究對(duì)象

圖4 方鋼管混凝土模型

通過ANSYS有限元軟件主要分析寬厚比、長(zhǎng)細(xì)比、軸壓比和內(nèi)部混凝土抗壓強(qiáng)度等因素對(duì)構(gòu)件抗震性能的影響。由方鋼管和內(nèi)填混凝土組成方鋼管混凝土模型如圖 4所示,混凝土單元采用Solid65;鋼管單元采用Solid45。混凝土材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用Hognestad表達(dá)式,通過數(shù)據(jù)表形式輸入到ANSYS中。在計(jì)算過程中首先對(duì)柱子底部施加約束,柱頂施加恒定軸壓力。反復(fù)荷載通過定義荷載步的辦法得以實(shí)現(xiàn)。

2.2 各參數(shù)對(duì)抗震性能的影響

2.2.1 寬厚比的影響

構(gòu)件的寬厚比即代表了截面的含鋼率,因此,寬厚比的大小直接影響試件的極限荷載。在軸壓比和混凝土強(qiáng)度相同的情況下,寬厚比小的試件其極限強(qiáng)度大,寬厚比大的試件其極限強(qiáng)度反而小。寬厚比與含鋼率成反比。隨著寬厚比的減小,構(gòu)件彈性階段剛度和水平承載力都有所提高,下降段的下降幅度也略有減小。但對(duì)曲線形狀的影響則不大,主要影響曲線的數(shù)值(圖5)。

圖5 含鋼率對(duì)骨架曲線的影響

2.2.2 內(nèi)部混凝土強(qiáng)度的影響

內(nèi)部混凝土的強(qiáng)度對(duì)試件的延性有較大的影響,此外還影響試件的極限承載力。采用較低混凝土強(qiáng)度的試件的極限強(qiáng)度較低但具有良好的耗能能力和較小的強(qiáng)度退化;采用較高強(qiáng)度混凝土的試件取得了較高的極限強(qiáng)度,但同時(shí)它的耗能能力較差且強(qiáng)度退化較大。混凝土強(qiáng)度的改變對(duì)構(gòu)件在彈性階段剛度和水平承載力等的影響都較小,隨著fck的增大,構(gòu)件位移延性有減小的趨勢(shì)。目前方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用趨向于采用高強(qiáng)混凝土,這就提醒我們?cè)谠O(shè)計(jì)中應(yīng)采取其它措施以提高其延性(圖6)。

圖6 混凝土強(qiáng)度對(duì)骨架曲線的影響

2.2.3 軸壓比的影響

軸壓比的大小對(duì)試件的延性和耗能能力有較大的影響且直接影響結(jié)構(gòu)的抗震能力。根據(jù)參數(shù)的分析,軸壓比對(duì)抗震性能的影響最大。可以看出,在寬厚比和內(nèi)填混凝土強(qiáng)度相同的情況下,隨著軸壓比的增大,試件的延性和耗能能力急劇下降。軸壓比是影響鋼管混凝土柱延性的重要因素,軸壓比越大則延性越差。軸壓比對(duì)骨架曲線的形狀影響較大:軸壓比越大,桿件的水平承載力越小,強(qiáng)化階段的剛度也越小。當(dāng)軸壓比達(dá)到一定數(shù)值時(shí),其曲線將會(huì)出現(xiàn)下降段,而且下降段的下降幅度隨軸壓比的增加而增大,構(gòu)件的位移延性則越來越小。另外,軸壓比對(duì)曲線彈性階段的剛度幾乎沒有影響,這是因?yàn)樵趶椥噪A段,構(gòu)件的變形小,P-△效應(yīng)并不明顯,而且隨著軸壓比的增大,核心混凝土受拉開裂面積會(huì)減少,這一因素又會(huì)使構(gòu)件的剛度略有增加(圖7)。

圖7 軸壓比對(duì)骨架曲線的影響

2.2.4 長(zhǎng)細(xì)比的影響

隨著長(zhǎng)細(xì)比的增加,彈性階段和強(qiáng)化階段的剛度越來越小,水平承載力也逐漸減小。構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比不僅會(huì)影響骨架曲線的數(shù)值,還會(huì)影響骨架曲線的形狀(圖 8)。

2.2.5 鋼材屈服極限的影響

圖8 長(zhǎng)細(xì)比對(duì)骨架曲線的影響

鋼材屈服極限fy對(duì)P-△骨架關(guān)系曲線的形狀影響不大,但隨著fy的增大,構(gòu)件的位移延性有減小的趨勢(shì)(圖 9)。

圖9 鋼材屈服極限對(duì)骨架曲線的影響

3 結(jié)束語

本文確定了反復(fù)加載情況下材料的應(yīng)力 -應(yīng)變關(guān)系模型,著重分析了低周反復(fù)荷載下試件寬厚比、內(nèi)部混凝土抗壓強(qiáng)度、軸壓比、長(zhǎng)細(xì)比、和鋼材屈服極限等因素對(duì)構(gòu)件抗震性能的影響。其中軸壓比對(duì)方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能影響最大,因此設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮軸壓比的限制。目前對(duì)方鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)抗震性能的研究仍迫切需要更多試驗(yàn)研究,以便為更準(zhǔn)確地建立方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)提供依據(jù)。

[1] 張建輝.方鋼管混凝土框架柱的抗震性能分析[D].天津大學(xué),2004

[2] 韓林海.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)—理論與實(shí)踐[M].北京:科學(xué)出版社,2004:244-248

[3] 鐘善桐.高層鋼管混凝土結(jié)構(gòu)[M].哈爾濱:黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社,1999:46-50

[4] 韓林海.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)[M].北京:科學(xué)出版社,2000:180-200

TU323.1

A

2010-02-03

鄭杰(1986～),女,碩士研究生;劉繼明(1963～),男,教授。