型鋼混凝土組合結構的抗震性能研究

郝海燕 劉驍驍

型鋼混凝土結構與一般的鋼筋混凝土結構，兩種結構都是由鋼材與混凝土結合而成，不同之處在于：型鋼混凝土內部填充的是型鋼，鋼筋混凝土結構則是在內部有規律的填充鋼筋。目前，國內外學者主要針對型鋼混凝土組合結構（以下簡稱SRC結構）的性能進行了研究[1～3]。例如，文獻[4]采用三維有限元軟件建立合理的節點模型，考慮節點受力性能在不同因素下的影響。文獻[5]分析混凝土的力學行為，利用混凝土損傷塑性，研究了混凝土強度、型鋼強度與含鋼率對軸壓受力狀態下型鋼混凝土構件的承載力與破壞情況。文獻[6]指出：在荷載達到80%極限載荷后型鋼與混凝土會發生明顯的粘結滑移。

現有研究大多將結構視為整體，忽略型鋼與混凝土兩種不同材料之間的粘結滑移對結構整體抗震響應的影響。針對地震作用下型鋼參數變化對型鋼混凝土組合結構抗震性能的影響研究更為匱乏。為此，本文考慮了型鋼與混凝土之間的粘結滑移，建立了整體SRC組合結構而非構件，進而研究型鋼翼緣寬度比變化對SRC組合結構的抗震性能影響。將一榀框架作為算例，施加罕遇地面運動，對SRC組合結構的抗震性能在型鋼參數影響下進行了詳細的研究，得出一定的結論，為實際工程的抗震設計提供理論支撐。

1 SRC結構的有限元仿真

本文研究對象為一榀、一層兩跨SRC結構，柱和梁分別為型鋼混凝土構件和鋼筋混凝土構件。SRC結構參數如下：層高3.9m，跨度為4.8m，柱和梁的截面尺寸分別為500mm×500mm和350mm×500mm，混凝土的強度等級設為C35，型鋼柱混凝土的保護層厚度設為50mm，鋼筋與型鋼鋼材為Q235級。基于實體力鋼筋法，型鋼混凝土柱的整體式模型采用有限元軟件ANSYS建立，即，鋼筋混凝土和型鋼通過實體單元來模擬。鋼筋混凝土通過SOLID65模擬，型鋼通過SOLID45模擬，非線性彈簧單元COMBIN39模擬型鋼與混凝土之間的滑移。

2 不同型鋼翼緣寬度比對SRC結構抗震性能的影響

根據相關研究可以知道，型鋼混凝土構件中型鋼翼緣對構件粘結性能的影響較大，應作為研究粘結滑移時的主要考慮對象。因此，在將型鋼用于型鋼構件中時，應盡量使用寬翼緣的型鋼，這樣內部混凝土的約束作用可進一步加強，提高結構的穩定性。表1給出翼緣寬度比不同時結構柱截面示意圖以及型鋼翼緣寬度比參數變化。

表1 型鋼翼緣寬度比參數變化表

根據表2～3可得，隨著翼緣寬度比的增大，型鋼結構整體的應變變形隨著時間增長而減小；翼緣寬度的增大對型鋼高強混凝土柱的約束范圍加大，翼緣寬度向各自兩邊的延伸部分將周圍混凝土緊緊的包圍，減小了混凝土因為外力作用而出現的裂縫的延伸速度，加大了對外力的抵抗作用，混凝土的性能被充分發揮。因此，翼緣寬度比的增大使得SRC組合結構的剛度增大，抗震性能提升。

表2 地震動作用下結構的位移峰值

表3 地震動作用下結構的加速度峰值

3 結論

本文通過有限元軟件建立考慮粘結滑移的型鋼混凝土組合結構。采用一榀框架作為算例，通過對結構輸入水平向地震動作用，模擬結構在罕遇地震作用下的響應。結果表明：結構內部型鋼參數的微小變化可對結構產生較大的影響，但由于型鋼的存在，能夠在某種程度上提高混凝土的抗壓抗拉強度，兩者共同工作可提高結構整體的剛度與延性。

[1]國君，王琨.型鋼混凝土組合梁柱框架抗震性能數值模擬[J].四川建筑科學研究，2013，39（4）：186～189.

[2]封 南.鋼筋混凝土結構有限元分析的建模[J].山西建筑，2010（20）：63～65.

[3]徐亞豐，張 麗，E.SysoevO，etal.碳纖維鋼骨-鋼管混凝土柱非線性有限元分析[J].沈陽建筑大學學報（自然科學版），2012，28（1）：51～59.

[4]王繼武.型鋼混凝土框架梁柱節點受力性能有限元分析[D].重慶交通大學，2009.

[5]李建清.型鋼混凝土柱受力性能有限元分析[D].武漢大學，2005.

[6]趙鴻鐵.鋼與混凝土組合結構[M].北京：科學出版社，2001.