內置鋼管混凝土L形柱抗震性能有限元分析

(華北理工大學 河北省地震工程研究中心 河北 唐山 063009)

引言

異形柱結構由于其與墻等寬使得住宅柱角不凸起，房屋凈使用面積增多，家具布置方便等優點被廣大學者關注[1-2],但是由于鋼筋混凝土異形柱極限承載力相對于矩形柱較差，無法在高抗震設防烈度地區以及超高層中應用，故而國內外學者通過異形柱中添加型鋼的形式提高異形柱極限承載力，徐亞豐[3-4]課題組進行了鋼骨-鋼管柱極限承載力，分別對方鋼管以及圓鋼管軸心受壓進行有限元分析，在與試驗相吻合的情況下，對不同參數對軸心受壓的影響進行了研究，通過有限元分析得出軸心受壓構件承載力公式。劉祖強[5]等為了研究異形柱軸壓比以及配鋼率，通過建研式加載裝置進行低周往復運動，設計十字形截面以及L形截面異形柱研究其抗震性能，并利用ABAQUS有限元分析軟件調用PQ-Fire子程序，并對加載角度不同對其影響進行研究。劉林林[6]等利用ABAQUS有限元軟件對3個L形鋼管混凝土短柱進行軸壓模擬分析，并探討其鋼管對混凝土的約束機理，結果表明：鋼管對混凝土的約束效應主要集中在 L 形截面陽角處。

國內外學者研究型鋼混凝土異形柱較多，且主要研究其極限承載力等力學性能，對異形柱抗震性能的研究較少，在實際工程中，柱可能受到來自不同方向的地震作用。然而，對于不同加載角度的此類柱的試驗和數值研究卻很少。所以本文將設計內置圓鋼管混凝土異形柱進行低周往復運動研究其抗震性能，并通過改變不同加載角度更加全面的研究其抗震性能，為試驗提供一定的依據。

一、有限元模型概述

(一)模型的建立

為研究內置鋼管混凝土L形柱力學性能，利用ABAQUS有限元軟件進行分析，設計L形截面在低周往復運動下研究其抗震性能，并改變混凝土加載角度(0度、45度)進行變量分析，并且為了更好地為實際工程提供可靠依據。將設計長度為1840mm的L形截面內置鋼管混凝土異形柱，直徑為102mm的鋼管通過間距為80mm的6mm厚的綴板連接形成鋼桁架結構，在鋼管外部利用直徑為8mm的箍筋，其間距為150mm，并與直徑為10mm的鋼筋形成鋼筋籠起到約束混凝土開裂以及承擔承載力作用。其中具體L柱截面尺寸如圖1所示。

圖1 L形截面尺寸圖

(二)有限元模型的建立

混凝土采用C30混凝土結構，抗壓強度為20.1MPa，混凝土應力應變曲線采用混凝土設計規范[7]中給出的單軸應力應變曲線，混凝土受拉開裂應變取 8 × 10-5，受壓峰值應變取 0.002，見圖 2 所示,經過模擬分析可知，使用ABAQUS提供的粘滯參數為0不易收斂，在經過大量的模擬得出最佳粘滯參數為0.005.鋼筋采用HRB400級，鋼管以及綴板采用Q235級鋼，考慮鋼材的硬化作用，鋼材本構選用如圖3所示的雙折線模型，強化模量取初始模量的1%。

圖2 混凝土應力—應變曲線圖

圖3 鋼材單軸應力—應變曲線

為了有更好的計算精度，混凝土單元類型采用C3D8R布置種子數為90，鋼筋單元采用 T3D2，布置種子數為75，由于鋼管和鋼板的厚度較薄，殼單元可以模擬，故采用單元為S4R，布置種子數為92。混凝土單元與鋼筋單元、混凝土單元與鋼管鋼板單元均采用內置連接方式，為保證在加載過程中混凝土不被壓潰，柱上下端添加150mm厚的鋼板，并通過綁定連接在柱處。在柱底形心處設置RP-1，并與柱底耦合在一起施加固定約束，在柱頂截面形心處設置RP-2，并與柱頂耦合一起施加軸壓(n=0.2)以及往復位移，通過改變施加于RP-2上角度以此改變加載角度，其中固定約束以及軸壓在初始分析步中開始施加，軸壓比首先施加在Step-1中，而后施加往復運動位移在靜力通用分析步Step-2中，首先進行初始加載3.7mm，隨后以0.5m/s的速率增長，為了更好的研究其抗震性能，最大位移加載至200mm。

二、有限元結果分析

(一)滯回曲線

圖4 滯回曲線圖

如圖4所示為不同加載角作用下鋼管混凝土異形柱結構滯回曲線，滯回曲線整體呈現梭形，有較好的耗能能力。在加載初期滯回曲線成線性發展，并隨著位移的加載，滯回環所圍成的面積逐漸增大，斜率逐漸變小，說明剛度逐漸退化，并且其殘余變形逐漸增大，說明柱變形逐漸增大，且L-0構件相對于L-45構件有較好的承載力。

(二)骨架曲線

圖5 不同加載角滯回曲線圖

如圖5所示為異形柱不同加載角作用下的骨架曲線，骨架曲線走勢基本相同，開始階段成線性發展，剛度較大，隨著位移的加載，曲線斜率逐漸減小，剛度逐漸退化嚴重，0度加載柱相對于斜向加載柱有較好的承載力，其0度加載相對于45度加載荷載平均值于屈服點處提高30.5%；于極限荷載點出提高42.5%；于破壞點處提高30.8%；且其延性平均提高40.4%，說明斜向地震波來臨時相對于水平地震波更為不利。特征點及其延性數值如表所示，其中特征點利用通用彎矩法求得，延性=破壞點位移/屈服點位移。

(三)耗能能力

圖6 不同加載角耗能能力

根據試驗結果得出粘滯阻尼系數，并且由粘滯阻尼系數表示鋼管混凝土異形柱的耗能性，在加載初期，粘滯阻尼系數成線性發展，這是由于在加載初期其柱變形能力以及能量消耗相當所致，隨著位移的加載，L-45柱相對于L-0度耗能能力較高，這是由于加載角度的不同使得柱角處鋼管受力情況有所不同，0度加載單肢鋼管受力，但是45度加載雙肢鋼管同時受力，導致45度加載的異形柱耗能能力逐漸增強。

(四)剛度退化

圖7 不同加載角剛度退化

如圖7所示為鋼管混凝土異性柱在反復荷載作用下，不同加載角第一次循環的剛度退化情況，在加載初期，由于混凝土應變開展較為迅速，使得鋼管混凝土異形柱剛度退化較快，但是隨著應變發展趨于飽和性，混凝土應變幾乎不再開展，絕大部分應變主要由鋼筋以及鋼管承擔，使得剛度退化逐漸趨于平緩，且L-45柱相對于L-0柱剛度退化更加平滑，這是由于加載角度的不同，使得承擔荷載以及抑制混凝土應變發展的鋼管數量不同導致。

結論

1)鋼管混凝土異形柱結構破壞形式屬于“局部屈曲破壞”，其中L-0柱局部屈曲主要在其加載軸所在軸線的翼緣處，L-45構件局部屈曲主要在陽角處。

2)構件滯回曲線飽滿，耗能能力較好，骨架曲線L-45相對于L-0構件承載力較低，其極限承載力平均值減小42.5%，說明斜向地震波來臨時相對于水平地震波更為不利。

3)L-0構件相對于L-45其延性平均提高40.4%；且其構件耗能性較好，其塑性階段粘滯阻尼系數達到0.4以上，剛度在1.3以上，說明鋼管混凝土異形柱有較好的抗震性能。