配置分體式箍筋的大長寬比鋼骨混凝土短柱抗震性能數值模擬

2016-09-14 08:42:53張春雷唐麗娜王初翀

四川建筑 2016年4期

關鍵詞：承載力混凝土模型

張春雷，唐麗娜，王初翀

(四川省建筑設計研究院，四川成都 610000)

配置分體式箍筋的大長寬比鋼骨混凝土短柱抗震性能數值模擬

張春雷，唐麗娜，王初翀

(四川省建筑設計研究院，四川成都 610000)

鋼骨混凝土短柱鋼骨較長時，短柱箍筋可采取全部穿過鋼骨腹板、部分穿過鋼骨腹板、全部不穿過鋼骨腹板三種構造方式。本文采用Abaqus有限元分析軟件對上述三種不同箍筋構造方式的大長寬比鋼骨混凝土短柱進行數值模擬，分析研究三種構造方式對鋼骨混凝土短柱極限抗剪承載力的影響、以及變形能力和延性性能，為配置分體式箍筋的大長寬比鋼骨混凝土短柱的設計提供一定的參考依據。

Abaqus；大長寬比鋼骨混凝土短柱；分體式箍筋；數值模擬

國內高層、超高層建筑結構大量使用鋼骨混凝土柱，這種柱常在某一方向采用大長寬比的鋼骨，常布置多肢封閉整體式箍筋且全部穿過鋼骨腹板。這種構造方式需在鋼骨腹板上大量開孔，導致鋼骨腹板會設置各種形式的補強鋼板；這些構造將引起更復雜的鋼板焊接溫度應力甚至影響到構件承載性能，同時箍筋全部穿過鋼骨腹板施工復雜、工序增多，導致施工質量不易得到保證甚至影響構件承載性能。因此，在工程實踐中提出了一種箍筋不全部穿過鋼骨腹板的分體式箍筋構造方式，以大量減少腹板開孔造成的一系列不利影響。

然而，這種構件箍筋構造特殊，采用這種箍筋構造鋼骨柱的非線性行為將嚴重影響結構的抗震性能。因此，針對配置分體式箍筋的大長寬比鋼骨混凝土短柱的非線性行為進行數值模擬，用于預測構件在地震作用下的性能，從而確定建筑結構的抗震性能，能夠在實際工程設計中更真實反映構件受力狀態和變形情況。

1　Abaqus有限元軟應用分析

Abaqus是一套功能強大的工程模擬有限元軟件，其解決的問題從線性分析到復雜的非線性問題。作為通用的模擬工具，Abaqus能解決大量建筑結構工程問題。本文主要是應用Abaqus有限元軟件對配置分體式箍筋的大長寬比鋼骨混凝土短柱進行數值模擬，包括箍筋不穿過鋼骨腹板、箍筋部份穿過鋼骨腹板、箍筋全部穿過鋼骨腹板下的大長寬比鋼骨混凝土柱的抗震性能，并根據分析結果給出針對這類構件箍筋設計的建議。

1.1混凝土的本構關系

Abaqus中提供了3種混凝土本構模型：①損傷塑性模型(Plasticitydamage)，②彌散開裂模型(Smearedcrack)，③脆性開裂模型(Brittlecracking)。本文采用混凝土損傷塑性模型來模擬混凝土材料的本構關系，損傷塑性模型適用于模擬構件在往復荷載作用下混凝土材料的本構關系，并且能夠考慮材料在往復荷載作用下的損傷、裂縫開展、裂縫閉合及剛度恢復等行為。

混凝土應力—應變曲線采用《混凝土結構設計規范》附錄C.2.3—C.2.4中的公式描述。混凝土損傷塑性模型中，分別用受拉損傷因子和受壓損傷因子來模擬由損傷引起的彈性剛度退化。其滯回準則由損傷因子d和損傷恢復系數w共同決定，其中損傷因子d是應力狀態和損傷演化參數dc和dt的函數。目前，關于混凝土損傷塑性模型中損傷因子的計算方法已有較多的研究，本文采用Abaqus用戶手冊中提供的損傷因子計算模型：

(1)

式中st，sc為應力狀態的剛度恢復函數，由以下方程定義：

(2)

(3)

拉伸損傷恢復系數wt和壓縮損傷恢復系數wc的值為1時，表示損傷后剛度完全恢復，值為0時表示損傷后剛度不能恢復。

假定混凝土材料的非彈性應變εin中塑性應變εpl所占的比例為β，可求得損傷因子dk的計算公式：

(4)

式中：t、c分別代表拉伸和壓縮；β為塑性應變與非彈性應變的比例系數，受壓時取0.35～0.7，受拉時取0.5～0.95；εin為混凝土拉壓情況下的非彈性階段應變。

1.2鋼材的本構關系

鋼材的應力—應變關系采用理想二折線模型，如，按下列公式確定：

(5)

式中：fy,r為鋼材的屈服強度代表值，其值可根據實際結構分析需要分別取fy、fyk或fym；fst,r為鋼材的極限強度代表值，其值可根據實際結構分析需要分別取fst、fstk或fstm；εy為與fy,r相應的鋼材屈服應變，可取fy,r/Es；εu為與fst,r相應的鋼筋峰值應變；k為鋼材硬化段斜率，k=(fst,r-fy,r)/(εu-εy)。

1.3單元類型選擇

本次模型，混凝土單元與鋼骨單元類型均選擇為八結點線性六面體減縮積分單元，即C3D8R；鋼筋的單元類型選擇為二結點線性三維桁架單元，即T3D2。

2　大長寬比鋼骨混凝土短柱的數值模擬

2.1模擬試件和參數

選擇3個大長寬比鋼骨混凝土短柱作為模擬對象，來考察相同條件下鋼骨腹板兩側不同箍筋構造的大長寬比鋼骨混凝土短柱的數值模擬效果。這3個構件的詳細參數見表1所示，腹板兩側箍筋構造示意見圖1。

表1　試件設計參數

(a)試件1

(b)試件2

(c)試件3圖1　試件1～3腹板兩側箍筋布置示意圖

2.2滯回曲線和骨架曲線

根據上述材料參數，各試件低周反復荷載作用下的滯回曲線和骨架曲線如圖2所示。

從圖2中可以看出，數值分析能夠較好的模擬各試件在反復荷載作用下的受力行為，包括構件在反復荷載作用下的骨架曲線和構件在加載、卸載、再加載過程中剛度和強度退化的準確模擬。

2.3極限抗剪承載力

各試件極限抗剪承載力如表2所示。

表2　各試件數值模擬極限承載力　kN

從表2中可以看出，各模擬試件極限抗剪承載力相差不大，最大相差在10 %左右；鋼骨腹板兩側箍筋全未穿過腹板構件的極限抗剪承載力低于腹板兩側箍筋穿過腹板構件，分析原因可能是箍筋全未穿過腹板，箍筋對腹板周邊混凝土約束效果降低、以及箍筋被腹板完全切斷后抗剪效果有限，造成其抗剪承載力相對偏低；腹板兩側箍筋部分穿過腹板構件的極限承載力反而高于箍筋全部穿過腹板的構件，分析原因可能是箍筋密集開洞對腹板抗剪能力有所消弱。

2.4塑性變形能力

塑性變形能力如表3、表4所示。

各試件的延性系數均大于3.0，表明試件具有良好的延性。試件1～3的極限層間位移角均大于1/100，表明試件1～ 3均具有良好的塑性變形能力。