圓鋼管混凝土支撐滯回性能分析

張文福,郝進鋒,薛景宏,于 洋,李曉麗

(東北石油大學土木建筑工程學院,黑龍江大慶 163318)

圓鋼管混凝土支撐滯回性能分析

張文福,郝進鋒,薛景宏,于 洋,李曉麗

(東北石油大學土木建筑工程學院,黑龍江大慶 163318)

為獲得鋼管混凝土支撐的抗震性能,對14根圓鋼管混凝土支撐試件開展滯回性能數值仿真,主要參數包括混凝土強度、鋼材屈服強度、長細比和含鋼率等;通過獲得的試件軸力-位移滯回曲線,得到試件的骨架曲線,分析混凝土抗主要參數對荷載-位移骨架曲線的影響;基于滯回曲線,對試件的位移延性、耗能能力和單位體積耗能進行探討.結果表明:隨混凝土強度、鋼材屈服強度和長細比的增加,位移延性、耗能能力和單位體積耗能能力逐漸減小;隨著含鋼率的增加,構件的位移延性、耗能能力減小,單位體積耗能能力逐漸增加.

鋼管混凝土;支撐;抗震性能;滯回曲線;耗能比

鋼管混凝土框-撐體系中的豎向支撐是主要抗側力構件.在地震區,高層建筑結構在地震作用下將進入彈塑性變形階段,豎向支撐的非彈性變形階段的力學特性關系到高層建筑地震反應的峰值、地震內力在構件之間的分配,以及結構樓層水平抗力的計算.將圓形鋼管和素混凝土構成的鋼管混凝土構件作為支撐,可以充分發揮鋼材和混凝土材料的優點,使鋼管混凝土支撐具有單一材料所無法擁有的優越性能[1-5].目前,人們開展方鋼管混凝土框架柱在水平地震作用下抗震性能的試驗研究,通過試驗及數值模擬分析方鋼管混凝土框架柱在水平地震作用下的承載能力、滯回性能、延性與變形能力等力學性能,以及方鋼管混凝土柱的抗震性能[6-14].韓林海等[15]為研究鋼管混凝土框架抗震性能,進行鋼管混凝土柱-鋼梁平面框架往復加載時荷載-位移滯回關系的數值仿真,建模中考慮材料和幾何非線性,結果表明在鋼材強度為35～420 M Pa、混凝土強度為30～90 M Pa時,理論計算結果和試驗結果吻合較好.蔡健[16]開展鋼管混凝土柱-梁新型節點反復荷載后的軸壓試驗,從極限承載力、裂縫形態、試件的荷載-軸向位移曲線等方面進行研究,并與進行軸壓試驗的試件進行對比,結果表明該新型節點的環梁在反復荷載下雖然產生一定的損傷,但對節點區的軸壓極限承載力的影響并不大,環梁仍能發揮對節點核心區的約束和加強作用,使節點區承載力大于鋼管混凝土柱的承載力.到目前為止,對變軸力作用下圓鋼管混凝土支撐構件的滯回性能研究尚未見報道,為明確這種圓鋼管混凝土組合構件的抗震性能與設計方法,筆者對14根圓鋼管混凝土支撐構件進行滯回性能的數值分析,為圓鋼管混凝土支撐在抗震地區的應用提供參考依據.

1 支撐構件設計

設計14根圓鋼管混凝土支撐構件,主要參數包括混凝土強度等級、鋼材屈服強度等級、構件的長細比和截面的含鋼率,主要參數見表1.

2 控制參數對荷載-位移骨架曲線的影響

2.1 滯回曲線

采用擬靜力試驗方法對圓鋼管混凝土支撐滯回性能進行數值分析[12].加載方式為反復施加變軸力,采用纖維模型法編制相應程序,材料的本構關系采用文獻[17-20]給出的本構關系模型,通過內力建立平衡方程,從而求得每一個位移對應的軸力,考慮在變軸力作用下14根圓鋼管混凝土軸向力-位移滯回曲線.

表1 試件主要參數

2.2 骨架曲線

骨架曲線是荷載-位移曲線中每個滯回環峰點的連接軌跡[12],與單調加載條件下的曲線相差不大.在任意的時刻,曲線峰值點只能在骨架曲線內或沿骨架曲線行走.

2.2.1 混凝土強度等級

混凝土強度等級為C30、C40、C50和C60的試件的滯回曲線見圖1.從滯回曲線上得到的不同混凝土強度等級的鋼管混凝土支撐構件受壓骨架曲線見圖2.由圖2可知,隨著混凝土強度等級的提高,鋼管混凝土組合支撐構件的受壓承載力略有增大.等級較高的C60混凝土構件比等級較低的C30混凝土構件的受壓承載力提高19.6%.隨著混凝土強度等級的提高,鋼管混凝土組合支撐構件的下降段剛度有所降低,即延性減小.混凝土強度等級對骨架曲線受壓上升階段的剛度幾乎沒有影響.

圖1 不同混凝土強度等級的試件滯回曲線(直徑×壁厚×長度:180 mm×5 mm×4 500 mm)

圖2 混凝土強度等級對骨架曲線的影響(直徑×壁厚×長度:180 mm×5 mm×4 500 mm)

2.2.2 鋼材屈服強度

鋼材屈服強度等級為Q235、Q 345和Q 390的試件的滯回曲線見圖3.從滯回曲線上得到的不同鋼材屈服強度的鋼管混凝土支撐構件受壓骨架曲線見圖4.由圖4可知,隨著鋼材屈服強度的提高,鋼管混凝土組合支撐構件的受壓承載力增大,Q 390鋼的鋼管混凝土構件比Q235鋼的受壓承載力提高66.7%,Q345鋼的鋼管混凝土構件比Q390鋼的承載力相差不大;鋼管混凝土組合支撐構件下降段的剛度變化趨勢不明顯.

圖3 不同鋼材強度的試件滯回曲線(直徑×壁厚×長度:200 mm×6 mm×3 000 mm)

2.2.3 長細比

長細比為54.8,109.6,164.4,對應的構件長度L分別為3 000,6 000,9 000 mm的試件的滯回曲線見圖5.從滯回曲線上得到的不同長細比的鋼管混凝土支撐構件受壓骨架曲線見圖6.由圖6可知,隨著構件長細比的提高,鋼管混凝土支撐構件的受壓極限承載力明顯下降,長細比為164.4的構件比長細比為54.8的構件受壓極限承載力提高305.4%,說明長細比對構件受壓極限承載力的影響很大,在工程設計中應給予重視;鋼管混凝土支撐的下降段剛度越大,延性增加.

2.2.4 含鋼率(寬度比)

構件的直徑D與鋼管壁厚t的比即為構件的寬厚比.寬厚比η反映構件截面的含鋼率(As/Ac),寬厚比越大含鋼率越小,即寬厚比與含鋼率成反比[8-10].寬厚比影響鋼管混凝土支撐構件的極限承載力和延性.寬厚比(含鋼率)為 74.75(0.05)、59.80(0.07)、42.71(0.09)和 33.22(0.12),對應的鋼管壁厚分別為4,5,7,9 mm的試件的滯回曲線見圖7.從滯回曲線上得到的不同寬厚比的鋼管混凝土支撐構件受壓骨架曲線見圖8.由圖8可知,隨著構件含鋼率的提高,鋼管混凝土支撐構件的受壓承載力明顯提高,含鋼率為0.12的構件比含鋼率為0.05的受壓極限承載力提高45.3%;鋼管混凝土支撐構件的下降段剛度有所提高,延性增大;骨架曲線上受壓上升階段的剛度略有提高,但提高幅度不明顯.

3 滯回曲線應用

滯回曲線的形態包括梭形、弓形、反S形和Z形.梭形和弓形的滯回曲線較飽滿,所包圍的面積比反S形和Z形要大,因此梭形和弓形的滯回曲線耗能也大.

3.1 位移延性

位移延性是構件塑性變形的能力,作為評價構件抗震能力的重要指標通常用延性因數[12]μ表示:

圖4 鋼材屈服強度對骨架曲線的影響(直徑×壁厚×長度:200 mm×6 mm×3 000 mm)

圖5 不同長細比的試件滯回曲線(直徑×壁厚×長度:200 mm×6 mm×9 000 mm)

式中:Xu為骨架曲線上相應于最大水平荷載下降為85%時對應的位移;Xy為骨架曲線上屈服點對應的位移,這里取最大水平荷載的75%時對應的位移.14根構件的延性因數計算結果見表2.由表2可以看出,延性因數μ隨混凝土強度等級、鋼材屈服強度、長細比和含鋼率增大而減小.

3.2 耗能性能

構件的耗能性能是指在反復荷載作用下構件吸收能量的性能.通常用耗能比[12]衡量構件在某一階段的耗能,一個完整的滯回環見圖9,耗能比ψ為其中空白部分的面積(S1)與全部面積(S1+S2)之比:

式中:S1為構件在循環一周所吸收的能量;S2為構件卸載過程中所釋放的能量;S1+S2為水平荷載所做的全部功.

在14根構件中,對于同類構件取位移相同點的滯回環的耗能比評價構件的耗能能力,即ψ越大耗能越好.各構件的耗能比計算結果見表2.由表2可知,隨含鋼率的增大,構件耗能比增加;隨著混凝土強度等級、鋼材屈服強度及長細比的增加,構件耗能比減小.

圖6 長細比對構件骨架曲線的影響(直徑×壁厚:200 mm×6 mm)

3.3 單位體積耗能能力

傳統的延性系數及耗能比不能全面反映滯回曲線中構件抗震性能,為更好的衡量構件在動力荷載下的抗震性能,采用構件的單位體積耗能比μw[12-13]作為評價指標:

式中:W為滯回環上最大位移時構件的總吸收能量;V為構件的自身體積.

圖7 不同寬厚比的試件滯回曲線(直徑×壁厚×長度:299 mm×9 mm×3 000 mm)

圖8 寬厚比對構件骨架曲線的影響

圖9 p-Δ滯回環

表2 構件延性系數、耗能比與單位體積耗能比計算結果

14根試件的單位體積耗能比見表2,其中μ1為左側的位移延性因數,μ2為右側的位移延性因數,ˉμ為平均位移延性因數.由表2可知,各試件雖然耗能比ψ相差不大,但μw的區分較明顯,說明μw作為評價鋼管混凝土構件的抗震指標客觀、合理.

4 結論

(1)對14根圓鋼管混凝土支撐試件進行滯回性能數值仿真,主要參數包括混凝土強度(C30、C40、C50和C60)、圓鋼管鋼材屈服強度(Q235、Q345和Q390)、構件長細比(54.8、109.6和164.4)和構件寬厚比(74.75、59.80、42.71 和 33.22).

(2)獲得主要參數對荷載-位移骨架曲線的影響,隨著混凝土強度等級的提高,鋼管混凝土組合支撐構件受壓承載力增大,下降段剛度降低,延性減小.混凝土強度等級對骨架曲線受壓上升階段的剛度幾乎沒有影響;隨著鋼材屈服強度的提高,鋼管混凝土組合支撐構件的受壓承載力增大,鋼管混凝土組合支撐構件下降段的剛度變化趨勢不明顯;隨著構件長細比的提高,鋼管混凝土支撐構件的受壓極限承載力明顯下降,下降段剛度變大,延性增加;隨著構件含鋼率的提高,鋼管混凝土支撐構件的受壓承載力明顯提高,鋼管混凝土支撐構件的下降段剛度有所提高,延性增大.

(3)基于14根構件的滯回曲線,分析構件的位移延性、耗能性能和單位體積耗能.結果表明:當混凝土強度等級由C30增大到C60時,構件延性因數由1.78降為1.19;當鋼材屈服強度由Q235增大到Q390時,構件延性因數由2.78降為1.86;當長細比由54.8增大到164.4時,構件延性因數由2.78降為2.00;當含鋼率由0.05增大到0.12時,構件延性因數由3.19降為2.95;同理,構件的單位體積耗能能力也隨著主要參數的增加而減小.

(4)隨混凝土強度、鋼材屈服強度和長細比的增加,構件單位體積耗能能力逐漸減小,而隨著含鋼率的增加,構件的單位體積耗能能力逐漸增加.

(5)通過對比可知,構件單位體積耗能的區分較耗能比更明顯,可見,構件單位體積耗能比作為評價鋼管混凝土構件的抗震指標既客觀又合理.

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Constitutivemodel of concrete filled circular steel tube bracemembers under cyclic load/2010,34(3):104-108

ZHANGWen-fu1,HAO Jin-feng1,XUE Jing-hong1,ZHANGDan1,CHE Tai-jie2
(1.Civil Engineering College,N ortheast Petroleum University,Daqing,Heilongjiang 163318,China;2.Technique Training Center of Daqing Oilf ield,Daqing,Heilongjiang 163255,China)

In order to establish the restoring force model of steel concrete brace in concrete filled steel tube frame-support system,this paper studied materials constitutive relationship model under cyclic load,given the steel constitutive model and the confined and non-confined concrete skeleton curve,and established the loading and unloading hysteretic rules for concrete.These p rovide references for carrying out study on restoring force characteristicsof concrete filled steel tube brace system in the large deformation under low cyclic load.

concrete filled steel tube;brace;constitutive model

TU 375

A

1000-1891(2010)03-0109-06

2010-03-10;審稿人:張云峰;編輯:任志平

黑龍江省教育廳科學技術研究項目(10541006);黑龍江省自然科學基金項目(E2008011)

張文福(1965-),男,博士,教授,主要從事結構抗震與抗風方面的研究.