帶約束拉桿L形組合柱的抗震性能數值分析*

楊秀榮， 姜諳男， 劉海亮

(1. 大連海事大學 道路與橋梁工程研究所， 遼寧 大連 116026； 2. 濰坊市第二建筑工程公司 施工管理部， 山東 濰坊 261000)

鋼管混凝土結構在實際工程中被廣泛使用，其中，方形鋼管混凝土結構具有制作方便、節點形式靈活、施工方便、易滿足建筑要求、截面相對展開而慣性矩大、穩定性好、適合做壓彎構件等優勢，但由于建筑專業需求，具有靈活截面形式的異形柱越來越引起工程技術界的重視[1-2].由于方形或矩形柱在初期設計中，柱子本身凸出墻面，必定占用建筑的使用空間，而采用異形柱(如角柱采用L形截面，邊柱采用T形截面，中柱采用十字形截面)可以解決上述問題，從而增加了建筑空間[3-4].

以L形、T形以及十字形為代表的組合柱具有靈活的截面形式，可避免室內柱楞外露，便于家具擺放并提高建筑空間的利用率，但在單肢柱中鋼管對核心混凝土的約束作用主要集中在角部，在周邊比較弱，承載能力相對較低，導致鋼管與混凝土的協同作用較差[5-6].

為了增強鋼管對核心混凝土的約束作用，延緩或防止鋼管的局部屈曲，提出了設置鋼筋(鋼板條)加勁肋的構造措施[7]，即在每個單肢柱中沿縱向每隔一定間距，在橫截面上設置單個或多個水平約束拉桿，以提高鋼管在側邊中部對核心混凝土的約束作用，避免或延緩了鋼管在達到屈服強度前的局部屈曲，使鋼材和混凝土兩種材料的性能得到進一步發揮，從而提高了鋼管混凝土柱的承載力和延性，增強了L形方鋼管混凝土組合異形柱的力學性能，帶約束拉桿L形組合柱截面圖和構造圖如圖1所示.

圖1 L形組合柱Fig.1 L-shaped composite column

針對帶約束拉桿L形組合柱的結構分析研究主要集中在靜力方面，對其滯回性能的研究較少，本文圍繞此類構件的抗震性能開展研究，采用有限元法對帶約束拉桿L形組合柱的滯回性能進行了模擬研究.通過施加單調往復荷載的有限元模擬，并通過文獻[8]擬靜力試驗結果驗證了數值模擬的正確性，深入研究了帶約束拉桿L形組合柱在單調往復荷載作用下的工作機理.

1 參考試驗

試驗所采用的材料為：鋼管采用Q235B，鋼管內填充的混凝土等級為C30，綴條采用鋼材Q235B，鋼管內的約束拉桿采用HRB335鋼筋.鋼管、綴條、混凝土和約束拉桿的力學性能指標如表1～3所示.

表1 鋼材的材料特性Tab.1 Material properties of steel

表2 混凝土的材料特性Tab.2 Material properties of concrete

表3 約束拉桿的材料特性Tab.3 Material properties of binding bars

試件柱高2 000 mm，單肢截面寬度100 mm，因此，構件單肢高寬比L/D=20，鋼管截面尺寸為100 mm×100 mm×5.75 mm，綴條尺寸為100 mm×40 mm×10 m，綴條豎向間距為200 mm，約束拉桿直徑為10 mm，水平間距為50 mm，豎向間距為200 mm，試件尺寸如圖2所示(單位：mm).

2 有限元模型

2.1 模型建立

為了模擬帶約束拉桿L形方鋼管混凝土組合異形柱構件的擬靜力受力情況，在軸向施加豎向荷載，在水平方向施加低周往復位移，將柱底部的所有節點進行固接，柱頂自由.在施加的豎向荷載中，軸力是根據軸壓比確定的，軸壓比取值為0.3，采用文獻[9]的疊加理論計算承載力.

圖2 試件尺寸圖Fig.2 Specimen size

圖3 有限元模型Fig.3 Finite element model

帶約束拉桿L形組合柱試件鋼管截面屬性分別為Is=322 132 mm4，As=2 167.75 mm2，fu=269 N/mm2，Es=208 305 N/mm2；混凝土材料屬性分別為fc=14.3 N/mm2，Ac=7 832.25 mm2，Ec=30 000 N/mm2.上述所有變量參見文獻[8].

鋼管的屈服強度為269 MPa，極限強度為445 MPa，彈性模量為2.08×1011Pa.

鋼管承載力計算公式為

Ns=3fuAs=3×269×2 167.75≈1 749 kN

軸壓力分配系數為

0.34

混凝土承載力為

Nc=αcN≈901 kN>3fcAc≈336 kN

試件的極限承載力為

NL=Ns+Nc=1 749+336=2 085 kN

故確定施加的軸力為2 085×0.3=625.5 kN.

將鋼管頂端100 mm范圍內的所有節點施加水平往復位移，以5 mm為一級，每級位移循環一次，假定屈服位移為5 mm，直至增加到40 mm，柱頂端點位移時間圖如圖4所示.

圖4 位移時間圖Fig.4 Displacement-time diagram

2.2 結果分析

利用ANSYS軟件進行通用后處理，可以得到帶約束拉桿L形組合柱在水平位移為零和最大位移為正向、負向時的整體等效應力云圖，結果如圖5所示.可以發現，帶約束拉桿L形組合柱在往復荷載作用下的破壞有整體傾斜、柱腳鼓曲和綴條鼓曲等.

圖6為帶約束拉桿L形組合柱模型在往復荷載作用下破壞時的整體變形及各構件的等效應力云圖.從圖6可以看出，帶約束拉桿L形組合柱頂端水平位移較大，鋼管和混凝土的最大應力點位于柱腳鼓曲部位，破壞形態是柱腳鼓曲.從破壞形態可以發現，連接綴條傳遞了剪力，是連接各個單肢的重要構件，是傳遞剪力的樞紐，通過鼓曲變形起到了耗散能量的作用.

圖5 破壞形態應力云圖Fig.5 Stress nephogram of failure modes

圖6 應力云圖及變形圖Fig.6 Stress nephogram and deformation diagram

2.3 鋼管、綴條、約束拉桿和混凝土應力分析

利用ANSYS軟件可以得到鋼管、綴條、約束拉桿和混凝土應力最大點在整個加載過程中的變化情況，等效應力時程曲線如圖7所示.從圖7可以看出，混凝土比綴條和鋼管更早地達到了極限強度，說明混凝土首先發生開裂，綴條比鋼管屈服得晚，說明鋼管先于約束拉桿和綴條破壞.

圖7 時程曲線Fig.7 Time-history curves

2.4 承載能力分析

本文以軸壓比為0.3、混凝土強度為C25、鋼材強度為Q235的帶約束拉桿L形組合柱在往復荷載作用下為例進行分析，滯回曲線和骨架曲線如圖8、9所示.可以看出，構件在往復荷載作用下的滯回曲線呈梭形，滯回曲線的形狀非常飽滿，這反映了該構件具有較好的塑性變形能力，同時也具有較好的抗震性能和耗能能力，同時骨架曲線(包絡線)也具有平緩的下降段，說明帶約束拉桿L形組合柱具有較好的能量消耗能力和延性.

圖8 滯回曲線Fig.8 Hysteretic loops

圖9 骨架曲線Fig.9 Skeleton curve

3 結 論

為了研究采用帶約束拉桿L形組合柱在低周往復荷載作用下的受力情況，采用有限元軟件ANSYS進行數值模擬并與試驗進行對比，得到了以下結論：

1) 通過在單肢柱中添加約束拉桿，增強了鋼管對核心混凝土的約束作用，推遲了鋼管在達到屈服前的局部屈曲，從而提高了L形方鋼管混凝土組合柱的承載力和延性.

2) 帶約束拉桿L形組合柱中的鋼管應力最大點出現于柱腳鼓曲部位，而綴條的應力最大點則位于靠近柱底部的部位，混凝土的應力最大點出現在柱腳鼓曲部位.

3) 組成部分的破壞順序是：混凝土首先開裂，之后鋼管底部屈服并發生鼓曲.

4) 滯回曲線呈梭形，曲線飽滿，而骨架曲線也具有平緩的下降段，說明帶約束拉桿L形組合柱具有較好的耗能能力和延性，抗震性能較好，為以后實際工程應用提供了依據.