低周反復荷載作用下帶拉條T形型鋼混凝土異形柱有限元分析

馮建龍 王甜甜

摘 要：本文提出了一種帶拉條T形型鋼混凝土異形柱，在低周反復荷載作用下研究了其抗震性能。通過有限元軟件ABAQUS，選用合理的應力-應變關系，對不同參數(shù)下的試件進行模擬。根據(jù)有限元結(jié)果，分析了混凝土強度等參數(shù)對試件的滯回曲線、骨架曲線等的影響。結(jié)果表明，不同等級混凝土的該形式異形柱均具有較高的承載力，較好的變形能力和耗能能力，表明該形式的異形柱滯回性能良好。

關鍵詞：低周反復荷載；帶拉條T形型鋼混凝土異形柱；有限元分析

隨著我國建筑工業(yè)化發(fā)展速度不斷加快，傳統(tǒng)的鋼筋混凝土柱因自重大、施工耗時長，且會對水、樹木等資源造成浪費，并容易產(chǎn)生粉塵、噪音等污染，已不再完全符合人們對高品質(zhì)居住建筑的要求。型鋼混凝土異形柱結(jié)構(gòu)具有承載力高、塑性變形能力好、抗震性能好等優(yōu)點，在工程上應用的越來越廣泛。為解決傳統(tǒng)型鋼混凝土異形柱存在的問題，本文在已有相關試驗和理論研究的基礎上[1-5]，提出了一種帶拉條T形型鋼混凝土異形柱：異形柱兩端為方鋼管，中間為具有內(nèi)折部分的連接鋼板，由拉條焊接連接，兩端與方鋼管焊接為整體，異形柱內(nèi)部澆筑混凝土。

本文利用有限元分析軟件ABAQUS，通過改變軸壓比、剪跨比、混凝土強度等參數(shù)，對3個帶拉條T形型鋼混凝土異形柱模型在往復荷載作用下的承載力和抗震耗能性能進行了分析和研究，旨在為帶拉條T形型鋼異形柱結(jié)構(gòu)的設計提供參考。

1有限元模型分析

1.1 模型設計

本文共確立了3個帶拉條T形型鋼混凝土異形柱試件，截面形式如圖1所示。方鋼管與拉條綴板采用Q345-B級鋼，彈性模量為E=2.05×105MPa ，泊松比取為0.25，質(zhì)量密度為7800kg/m3，厚度分別為3mm；混凝土強度等級分別為C30、C40、C50，彈性模量分別為E=3.0×104MPa 、E=3.20×104MPa 、E=3.35×104MPa ，泊松比取為0.2，質(zhì)量密度為2400kg/m3。軸壓比取0.3，剪跨比取1.5。

1.2加載制度

有限元模型的加載過程分為2個荷載步，首先施加豎向荷載，按預定的軸壓比進行加載，并在整個加載過程中保持豎向荷載不變；水平加載采用全過程位移控制。

1.3本構(gòu)模型

混凝土的本構(gòu)模型采用文獻[6]中建議的σ-ε曲線，忽略核心混凝土和型鋼及拉條綴板之間的粘結(jié)滑移。方鋼管內(nèi)的核心混凝土在受力過程中對鋼管起到一定的約束作用，使得鋼管的承載力增強。故本文選用文獻[7]建立型鋼的σ-ε本構(gòu)模型。

1.4網(wǎng)格劃分

試件的混凝土單元和鋼骨單元均采用8節(jié)點三維實體單元（C3D8R）。異形柱頂部與加載梁之間采用綁定約束（Tie），異形柱底部采用完全固接約束。各節(jié)點均包括Ux 、Uy 、Uz 、URx 、URy 、URz 六個自由度，使用減縮積分方式，效果良好。

2結(jié)果分析

2.1破壞特征

從模擬后的3組變形云圖中選取第1組變形比較明顯的試件來分析破壞形態(tài)的具體表現(xiàn)。其破壞特征主要體現(xiàn)在：加載初期，各試件外形并無明顯變化；隨著水平位移的不斷增大，各試件漸漸發(fā)生屈曲；在受壓側(cè)柱腳的肢端最外緣區(qū)域鋼管發(fā)生越來越明顯的起鼓現(xiàn)象，拉條內(nèi)部的核心混凝土壓碎直至少量從鋼管裂縫處擠出。

2.2滯回性能

滯回曲線是試件抗震能力的綜合體現(xiàn)。根據(jù)圖6能夠得出各組試件的滯回曲線形狀豐盈、沒有捏攏現(xiàn)象，反映出帶拉條T形型鋼混凝土異形柱抗震性能良好。

對不同混凝土等級的帶拉條T形異形柱構(gòu)件進行分析對比，有限元分析所得滯回曲線如圖6所示，強度越高，試件滯回性能越好。

從圖7可以看出，不同強度混凝土對試件骨架曲線的影響，對比較為明顯，混凝土強度對試件的承載力以及剛度有較大影響，等級越低，試件的承載力越低，剛度越小。

3總結(jié)

通過有限元軟件ABAQUS模擬不同參數(shù)下十字形鋼骨混凝土異形柱的滯回性和骨架曲線，得到如下總結(jié)：

（1）在不同混凝土強度等級下，該形式的異形柱滯回曲線均較為飽滿，穩(wěn)定性較好，表明其塑性變形能力和耗能能力良好。

（2）改變核心混凝土的強度對帶拉條T形型鋼混凝土異形柱的抗震性能有明顯提升。

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