型鋼高強高性能混凝土柱受力性能研究

【摘 要】針對施工過程中遇到的型鋼高強高性能混凝土結構，采用開源結構非線性分析軟件OpenSEES，基于Kent-Scott- Park混凝土本構關系和Giuffre-Mengegotto -Pinto鋼材本構關系，建立型鋼高強高性能混凝土柱的有限元模型，對試件的受力性能進行非線性數值模擬。結果表明：該模型能較好的體現型鋼高強高性能混凝土柱受力性能。可為型鋼高強高性能混凝土的設計和優化提供參考。

【關鍵詞】型鋼高強高性能混凝土；OpenSEES；非線性；數值模擬

1 引言

型鋼高強高性能混凝土 (Steel Reinfor ced High Strength and High Performance Concr ete) 結構是新型混凝土高技術在型鋼混凝土結構中的應用。作為鋼與混凝土相組合的新型結構形式，其具有高強度、抗震性能好等特點。目前已廣泛應用于大跨、大空間的工業廠房中。實踐證明型鋼高強高性能混凝土結構能有效的提高結構的受力性能，大幅度地減小構件截面尺寸，從而減輕結構重量，增加使用面積。本文將采用數值模擬的方法分析其受力性能，模擬結果表明其具有相當好的非線性模擬精度。該有限元分析的結果可用于指導實際工程。

2 型鋼高強高性能混凝土柱的有限元模擬研究

2.1 OpenSEES程序簡介

OpenSEES全稱為Open Systems for Earthquake Engineering Simulation（地震工程模擬開放體系），該軟件是由加州大學伯克利分校所研究開發的。程序可進行結構工程及巖土工程領域的靜力彈性和非線性分析、pushover擬動力分析、模態分析、動力線彈性分析與非線性分析等。經證明，在以上各個分析中均能具有較好的數值模擬精度。此外，OpenSEES具有便于改進和協同開發，能保持國際同步等特點。目前，該程序日益引起各國土木工程領域研究人員的高度關注。

2.2 單元選擇

本文擬采用的分析單元為非線性梁柱單元模型(Nonlinear Beam-Column Eleme nt)，此單元模型是基于纖維模型法的非線性單元。可應用于桿系結構的非線性分析，并能充分考慮構件的P-Delta效應。其運用高斯數值積分法來求解構件柔度矩陣，故比目前多數程序采用的線性差值法計算結果更為精確。

2.3 材料本構關系

構件的荷載位移關系可以通過對截面纖維材料的單軸本構模型積分求得。故材料的單軸本構模型是影響數值模擬結果的重要因素?？傮w上講型鋼混凝土柱復合截面包括三種材料：混凝土、型鋼和縱向鋼筋。在建模前，需對各種材料采用適宜的混凝土、型鋼和縱向鋼筋的單軸本構關系，同時還應考慮箍筋對混凝土的約束作用。

2.3.1 混凝土本構關系

混凝土本構關系采用Kent-Scott-Park模型[1]，對應于OpenSEES中的Concrete02 Material單軸材料。其骨架曲線有三部分組成：二次曲線上升段、下降直線段和水平直線段。對于約束混凝土，可采用以體積配箍率為約束指標（配箍特征值）來修正其對應力和應變增大效應。材料本構的滯回規則詳見文獻[1]

2.3.2 鋼材本構關系

關于鋼材的本構材料模型，本文選擇Giuffre Mengegotto Pinto模型[2]，對應于OpenSEES中單軸材料steel02 Material。其本構關系骨架曲線為雙折線，可反映鋼筋的Bauschinger效應[3]。并通過取強化段的硬化模量取為0.01Es來考慮鋼材強化效應，Es為鋼材的彈性模量。材料本構的滯回規則詳見文獻[2]。

2.4 試驗簡介

實驗試件截面參數設計如下：截面幾何尺寸(b×h)為150mm×210mm，高強高性能混凝土強度等級為C80，經過28天標準養護，混凝土軸心抗壓強度為75.49MPa，彈性模量為42042MPa；型鋼的屈服強度為319.7MPa，極限強度為491.5MPa，彈性模量2.07×105MPa；縱向鋼筋選用直徑為10mm的HRB335級鋼筋，屈服強度為386.3MPa，極限強度為495.7MPa，彈性模量2.06×105MPa。試件具體尺寸和截面配筋形式和其他試驗參數詳見文獻[4]。

試驗采用懸臂直立式加載方法，在加載過程中，豎向用液壓千斤頂施加軸力，試件的軸力為606.4kN。水平荷載加載時采用荷載和位移雙控制。試件a采用單調靜力加載制度，試件b采用低周反復加載制度，在每一級位移幅值下連續循環三次。構件的破壞準則：當試件的恢復力下降到最大值的85%時即認為試件完全破壞。

2.5 數值模擬結果分析

對比試驗和OpenSEES非線性分析所得的荷載位移曲線，可以得到結論如下：(1)數值模擬所得荷載位移曲線的形狀、面積及加載后期的承載力的衰減都與試驗所得曲線基本一致。表明此次模擬成功，并且該模型能較好的模擬型鋼高強高性能混凝土柱試件的耗能能力。(2)模擬所得的滯回環的形狀較試驗略顯飽滿，在試件加載后期承載力的衰減也比試驗曲線略為緩慢，及所采用模型高估了構件的耗能能力。(3)數值模擬和試驗值有一定的誤差，主要有以下原因：采用的建模方式是基于纖維模型的宏觀模型，在計算時忽略了型鋼和混凝土界面上的粘結滑移效應；試驗時發現型鋼和縱向鋼筋都會有屈曲現象，而這在鋼材的本構關系上沒有達到體現；在建模時，僅是考慮了箍筋對混凝土的約束作用，模型中并沒有箍筋纖維。

另一方面，由于箍筋對核心混凝土的約束作用較為復雜，相關的數據資料也不夠充分，導致確定約束區域混凝土的本構關系時很難與實際情況符合

3 結語

數值分析結果表明，模擬結果與試驗結果吻合較好。對于型鋼高強高性能混凝土柱試件，由于型鋼的作用導致數值模擬滯回曲線均比試驗曲線飽滿，能較好地反映出型鋼對混凝土柱強度與剛度的加強作用，表明應用OpenSEES中的纖維模型和非線性梁柱單元能較好地模擬型鋼高強高性能混凝土柱試件在的非線性反應。運用該模型可以有效指導實際工程的設計及優化研究。

參考文獻

[1]Mander JB， Priestley MJN， Park R. Theoretical stress–strain model for confined concrete， Journal of Structural Engineering[J]. 1988; 114(8):4–26.

[2]MENEGOTTO M， PINTO P E. Method of analysis for cyclically loaded reinforced concrete plane frames including changes in geometry and non-elastic behavior of elements under combined normal force and bending[C]， 1973:15-22.

[3]FILIPPOU F C. Effects of bond deterioration on seismic response of reinforced concrete frame [D]. Berkeley， CA: University of California， 1983.

[4]王斌，鄭山鎖，國賢發等. 循環荷載作用下型鋼高強高性能混凝土框架柱受力性能試驗研究[J].建筑結構學報，32(3):117-126.

作者簡介：

邢俊林，出生年月：1969.6，性別：男，籍貫：山西省定襄縣，現職稱：工程師，學歷：大學，研究方向：工程結構與建筑施工