型鋼混凝土柱循環荷載下的數值模擬★

王城泉 鄒昀 郭翔

型鋼混凝土(SRC)結構是鋼—混凝土組合結構的一種形式。與傳統的鋼結構或混凝土(RC)結構相比，SRC結構具有很強的性能優勢和經濟優勢，在國內外被廣泛應用［1，2］。恢復力模型是根據大量從試驗中獲得的恢復力與變形的關系曲線經適當抽象和簡化而得到的實用數學模型，是結構構件的抗震性能在結構彈塑性地震反應分析中的具體體現。國內外有關專家學者對普通混凝土框架柱在恢復力特性方面作了大量的試驗研究，并提出了一系列的恢復力特性的計算模型，這些研究成果對型鋼混凝土構件恢復力模型的研究具有重要意義。型鋼混凝土結構是介于鋼筋混凝土結構和鋼結構之間的一種結構，它兼有鋼筋混凝土和鋼結構的一些特點，構件的恢復力特性也介于兩者之間。當型鋼含量較少時，恢復力特性接近于鋼筋混凝土構件的特性;當型鋼含量較多時，型鋼混凝土構件在一定條件下具有了鋼構件的某些特性。故在此，對型鋼混凝土的恢復力特性進行非線性數值模擬。

1 有限元分析模型

1． 1 構件基本信息

有限元模型的長度采用1．5 m，保護層厚度為25 mm，采用對稱配筋。型鋼的翼緣寬度為150 mm，厚度為10 mm，腹板的寬度為6 mm，高度為180 mm。型鋼混凝土柱的截面如圖1所示;用于對比分析的普通混凝土柱的截面尺寸與配筋同型鋼混凝土柱。

分析模型中混凝土、鋼筋及型鋼采用ABAQUS中的實體Solid單元;縱筋和箍筋采用Wire單元，如圖2所示。

圖1 SRC柱截面圖

圖2 有限元分析模型

1． 2 材料的本構關系

1．2．1 混凝土本構關系

對于SRC柱可劃分為箍筋外無約束混凝土區和箍筋內有約束混凝土區，箍筋外認為混凝土處于單軸受壓應力狀態，采用Saenz模型來模擬無約束區混凝土單軸受壓應力—應變關系。箍筋內認為混凝土處于多軸受力狀態，可等效為單軸受壓應力狀態，所采用的混凝土應力—應變曲線如圖3所示。

1．2．2 鋼材本構關系

分析中縱筋、箍筋和型鋼均采用常用的多折線性隨動強化模型(MKIN)，如圖4所示。泊松比均為0．25。鋼材受拉超過屈服平臺后進入強化段，強化段簡化為直線，屈服平臺對應的最大應變即假設為εs=4εy。受拉鋼筋和型鋼翼緣的極限拉應變根據fy，fu，E1，E2計算得到。分析模型中鋼材的力學性能指標見表1。

圖3 混凝土受壓的應力—應變關系圖

圖4 鋼材本構關系

表1 鋼材材料性能

2 SRC柱與RC柱對比分析

2． 1 單調加載下的性能對比

為了研究型鋼對混凝土柱力學性能的影響，建立兩組SRC柱與RC柱的對比分析模型，兩組試件采用不同的軸壓比，其余信息均相同。如相同的截面尺寸、混凝土等級以及箍筋配筋率。構件的基本信息如表2所示。在柱頂施加相同的位移，單調荷載作用下得到各構件的P—Δ曲線。對比分析結果如圖5所示。柱的承載力有明顯提高，同時，構件的變形能力也得到改善。

表2 SRC柱與RC柱模型參數

圖5 SRC柱與RC柱的P—Δ對比曲線

2． 2 SRC柱與RC柱的滯回性能分析

循環往復荷載作用下，得到不同構件的滯回曲線。將各組鋼骨混凝土柱與普通混凝土柱模型的滯回曲線繪制于同一幅圖中，如圖6所示。很顯然，鋼骨混凝土柱與普通混凝土柱的滯回特性具有明顯差異，鋼骨混凝土柱的滯回曲線比普通混凝土柱的滯回曲線飽滿，說明地震作用下，鋼骨混凝土柱的抗震性能得到了明顯改善。利用最大的滯回環進一步計算的兩柱的耗能能力，耗能結果對比見表3。從表3可以看出，型鋼混凝土柱的耗能能力達到普通混凝土柱的1．4倍以上。軸壓比越小，型鋼混凝土柱的耗能能力提高越多。

圖6 SRC柱與RC柱滯回曲線對比

表3 耗能結果對比

3 軸壓比對SRC柱滯回性能的影響

建立 SRC3，SRC4，SRC5三根柱模型，軸壓比分別為 0．15，0．30 和0．40，模型具體參數見表4。

表4 不同軸壓比下模型的參數

3． 1 滯回曲線

循環往復荷載作用下，得到不同構件的滯回曲線，如圖7所示。

圖7 不同軸壓比SRC柱滯回曲線

3． 2 耗能能力和骨架曲線

繪出三根構件最大的滯回環，如圖8所示。通過計算滯回環所包圍的面積可以得到，不同軸壓比下型鋼柱的耗能能力，耗能結果對比見表5。不同軸壓比SRC柱骨架曲線見圖9。

圖8 不同軸壓比SRC柱滯回環

表5 不同軸壓比SRC柱耗能結果對比

圖9 不同軸壓比SRC柱骨架曲線

4 結語

本文利用有限元分析軟件ABAQUS對型鋼混凝土柱(SRC)進行了靜力加載與循環往復加載下的非線性有限元分析。得到結論如下:1)單調加載下型鋼混凝土柱(SRC)的承載力與變形能力明顯高于普通混凝土柱(RC)。2)在循環往復荷載作用下，型鋼混凝土柱的滯回環比普通混凝土柱飽滿，型鋼混凝土柱的耗能能力達到普通混凝土柱的1．4倍以上。3)相同條件下，軸壓比對型鋼混凝土柱的滯回特征、耗能和骨架曲線有影響，隨著柱軸力的減小，型鋼混凝土柱的耗能能力有所降低。

［1］ 郭子雄，張志偉，黃群賢，等．型鋼混凝土柱恢復力模型試驗研究［J］．地震工程與工程振動，2009，29(5):10-16．

［2］ 朱伯龍，張琨聯．矩形及環形截面壓彎構件恢復力特性的研究［J］．同濟大學學報，1981，9(2):1-10．

［3］ Kim S．E．，Chen W．F．．Practical advanced analysis for braced steel frame design［J］．Structural Engineering，1996，122(11):1259-1265．

［4］ 郭子雄，呂西林．高軸壓比下RC框架柱恢復力模型試驗研究［J］．土木工程學報，2004，37(5):32-38．

［5］ 劉良林，王全鳳，沈章春．基于損傷的累積滯回耗能與延性系數［J］．華僑大學學報(自然科學版)，2009，30(2):186-190．

［6］ M．Geromel，O．Mazzarella．Experimental and analytical assessment of the behavior of stainless steel reinforced concrete beams［J］．Materials and Structures，2005，38(2):211-218．

［7］ Wenzhong Zheng，Jing Ji．Dynamic performance of angle-steel concrete columns under low cyclic loading-I:Experimental study［J］．Earthquake Engineering and Engineering Vibration，2008，7(1):67-75．

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