方鋼管混凝土柱抗震性能影響因素的研究

鄭 杰,劉繼明,毛林濤,周 飛,紀榮榮

(青島理工大學土木工程學院,山東青島 266033)

方鋼管混凝土柱抗震性能影響因素的研究

鄭 杰,劉繼明,毛林濤,周 飛,紀榮榮

(青島理工大學土木工程學院,山東青島 266033)

確定了方鋼管混凝土中鋼材和混凝土材料的本構關系。利用有限元分析了低周反復荷載下試件寬厚比、長細比、軸壓比和內部混凝土抗壓強度等因素對構件抗震性能的影響。為方鋼管混凝土框架柱的抗震設計提供參考,推動方鋼管混凝土結構在實際工程中更為廣泛的應用。

方鋼管混凝土; 本構關系; 抗震性能

近年來鋼管混凝土結構在我國得到了廣泛的應用,方鋼管混凝土是鋼管混凝土結構的一個組成部分,與圓鋼管混凝土結構處于同等地位。較之圓鋼管混凝土結構,方鋼管混凝土結構具有抗彎性能好、節點構造形式簡單、外形規則等優勢,在高層超高層建筑、地下結構、橋梁及港口工程等建設中得到了廣泛的應用。作為組合結構,內填的混凝土改變了鋼管的屈曲模式,阻止了鋼管的內向屈曲,提高了鋼管混凝土柱的穩定性和承載力;而外包鋼管的約束作用使承載時的核心混凝土處于三向壓應力狀態,改善了混凝土的受壓性能[1]。另外,在鋼管混凝土的施工過程中,鋼管還可以作為澆筑其核心混凝土的模板。就目前而言,圓鋼管混凝土結構柱技術較為成熟,我國做了很多研究,也有相應的規程可以遵循,而方鋼管混凝土結構的研究還不甚成熟。我國屬于多地震國家之一,隨著方鋼管混凝土在我國地震區高層建筑中的推廣應用,對方鋼管混凝土結構的抗震性能進行研究顯得尤為重要。

1 反復加載情況下材料的應力 -應變關系模型

1.1 鋼材的應力-應變關系模型

本文在進行方鋼管混凝土構件滯回性能的研究時,采用如圖 1[2]所示的鋼材應力-應變關系,可以較好地反映其滯回特性。循環荷載作用下鋼材的本構模型是由骨架曲線和加載、卸載兩部分組成,即彈性段(oa)和強化段(ab)。模型中考慮了鋼材的強化作用和包辛格(Bausinger)效應,即正向屈服應力的提高會促使反向屈服應力的降低。彈性段剛度為ES,強化段剛度取0.01ES,加卸載剛度采用鋼材初始彈性模量。d點的反向加載線與通過(0,-0.35)點平行于ab段直線。繼續反向加載,進入軟化段 de,其模量最小取值為 KS=0.1ES,繼續反向加卸載過程用直線段a′c′d′來表示,其模量最小取值為KS=0.1ES。直線段de和de的模量用Eb來表示,其模量取值按式(1)確定。

式中:σd和εd分別為軟化段起始點d點和d'點的應力和應變值。

圖1 反復荷載作用下鋼材的應力-應變曲線

1.2 混凝土應力-應變關系模型

在反復循環荷載作用下,有關研究者進行過大量鋼筋混凝土中混凝土材料應力 -應變滯回關系曲線的試驗研究,發現混凝土的骨架曲線基本上接近于單向加載的應力-應變曲線,因此提出鋼筋混凝土結構在反復循環荷載作用下,其混凝土材料的應力 -應變滯回關系骨架曲線可用單向加載應力-應變曲線來代替。由于對方鋼管混凝土動力性能的研究開展得尚不充分,而針對其核心混凝土材料應力 -應變滯回關系的試驗研究未見有報道,因此在確定方鋼管混凝土的核心混凝土應力 -應變滯回關系骨架曲線時,采用單向加載的應力-應變關系曲線代替,如圖2所示。E.S.Chen和0.Buyukozturk于1985年提出了混凝土邊界面模型是一種功能較強的模型[3],可以用于混凝土三向受力的情況,如混凝土的非線性應力 -應變關系,循環荷載作用下的剛度退化現象等,如圖 3。

圖2 混凝土的應力-應變曲線

圖 3 混凝土邊界面模型

受壓區混凝土的應力-應變關系按式(2)確定[4]:

式中:ξ為約束效應系數;fc為混凝土圓柱體軸心抗壓強度。

受拉區混凝土的應力-應變關系按式(3)確定:

σp=0.26(1.25fc)2/3;εp為峰值拉應變,εp=43.1σp(με)。

2 有限元分析

2.1 有限元研究對象

圖4 方鋼管混凝土模型

通過ANSYS有限元軟件主要分析寬厚比、長細比、軸壓比和內部混凝土抗壓強度等因素對構件抗震性能的影響。由方鋼管和內填混凝土組成方鋼管混凝土模型如圖 4所示,混凝土單元采用Solid65;鋼管單元采用Solid45。混凝土材料的應力-應變關系采用Hognestad表達式,通過數據表形式輸入到ANSYS中。在計算過程中首先對柱子底部施加約束,柱頂施加恒定軸壓力。反復荷載通過定義荷載步的辦法得以實現。

2.2 各參數對抗震性能的影響

2.2.1 寬厚比的影響

構件的寬厚比即代表了截面的含鋼率,因此,寬厚比的大小直接影響試件的極限荷載。在軸壓比和混凝土強度相同的情況下,寬厚比小的試件其極限強度大,寬厚比大的試件其極限強度反而小。寬厚比與含鋼率成反比。隨著寬厚比的減小,構件彈性階段剛度和水平承載力都有所提高,下降段的下降幅度也略有減小。但對曲線形狀的影響則不大,主要影響曲線的數值(圖5)。

圖5 含鋼率對骨架曲線的影響

2.2.2 內部混凝土強度的影響

內部混凝土的強度對試件的延性有較大的影響,此外還影響試件的極限承載力。采用較低混凝土強度的試件的極限強度較低但具有良好的耗能能力和較小的強度退化;采用較高強度混凝土的試件取得了較高的極限強度,但同時它的耗能能力較差且強度退化較大。混凝土強度的改變對構件在彈性階段剛度和水平承載力等的影響都較小,隨著fck的增大,構件位移延性有減小的趨勢。目前方鋼管混凝土結構的應用趨向于采用高強混凝土,這就提醒我們在設計中應采取其它措施以提高其延性(圖6)。

圖6 混凝土強度對骨架曲線的影響

2.2.3 軸壓比的影響

軸壓比的大小對試件的延性和耗能能力有較大的影響且直接影響結構的抗震能力。根據參數的分析,軸壓比對抗震性能的影響最大。可以看出,在寬厚比和內填混凝土強度相同的情況下,隨著軸壓比的增大,試件的延性和耗能能力急劇下降。軸壓比是影響鋼管混凝土柱延性的重要因素,軸壓比越大則延性越差。軸壓比對骨架曲線的形狀影響較大:軸壓比越大,桿件的水平承載力越小,強化階段的剛度也越小。當軸壓比達到一定數值時,其曲線將會出現下降段,而且下降段的下降幅度隨軸壓比的增加而增大,構件的位移延性則越來越小。另外,軸壓比對曲線彈性階段的剛度幾乎沒有影響,這是因為在彈性階段,構件的變形小,P-△效應并不明顯,而且隨著軸壓比的增大,核心混凝土受拉開裂面積會減少,這一因素又會使構件的剛度略有增加(圖7)。

圖7 軸壓比對骨架曲線的影響

2.2.4 長細比的影響

隨著長細比的增加,彈性階段和強化階段的剛度越來越小,水平承載力也逐漸減小。構件的長細比不僅會影響骨架曲線的數值,還會影響骨架曲線的形狀(圖 8)。

2.2.5 鋼材屈服極限的影響

圖8 長細比對骨架曲線的影響

鋼材屈服極限fy對P-△骨架關系曲線的形狀影響不大,但隨著fy的增大,構件的位移延性有減小的趨勢(圖 9)。

圖9 鋼材屈服極限對骨架曲線的影響

3 結束語

本文確定了反復加載情況下材料的應力 -應變關系模型,著重分析了低周反復荷載下試件寬厚比、內部混凝土抗壓強度、軸壓比、長細比、和鋼材屈服極限等因素對構件抗震性能的影響。其中軸壓比對方鋼管混凝土結構的抗震性能影響最大,因此設計中應充分考慮軸壓比的限制。目前對方鋼管混凝土組合結構抗震性能的研究仍迫切需要更多試驗研究,以便為更準確地建立方鋼管混凝土結構性能水準提供依據。

[1] 張建輝.方鋼管混凝土框架柱的抗震性能分析[D].天津大學,2004

[2] 韓林海.鋼管混凝土結構—理論與實踐[M].北京:科學出版社,2004:244-248

[3] 鐘善桐.高層鋼管混凝土結構[M].哈爾濱:黑龍江科學技術出版社,1999:46-50

[4] 韓林海.鋼管混凝土結構[M].北京:科學出版社,2000:180-200

TU323.1

A

2010-02-03

鄭杰(1986～),女,碩士研究生;劉繼明(1963～),男,教授。