配置分體式箍筋的大長寬比鋼骨混凝土短柱抗震性能數(shù)值模擬

張春雷， 唐麗娜， 王初翀

(四川省建筑設(shè)計研究院， 四川成都 610000)

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配置分體式箍筋的大長寬比鋼骨混凝土短柱抗震性能數(shù)值模擬

張春雷， 唐麗娜， 王初翀

(四川省建筑設(shè)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(gòu)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(gòu)造方式的大長寬比鋼骨混凝土短柱進(jìn)行數(shù)值模擬，分析研究三種構(gòu)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(shè)計提供一定的參考依據(jù)。

Abaqus；大長寬比鋼骨混凝土短柱；分體式箍筋；數(shù)值模擬

國內(nèi)高層、超高層建筑結(jié)構(gòu)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(gòu)造方式需在鋼骨腹板上大量開孔，導(dǎo)致鋼骨腹板會設(shè)置各種形式的補(bǔ)強(qiáng)鋼板；這些構(gòu)造將引起更復(fù)雜的鋼板焊接溫度應(yīng)力甚至影響到構(gòu)件承載性能，同時箍筋全部穿過鋼骨腹板施工復(fù)雜、工序增多，導(dǎo)致施工質(zhì)量不易得到保證甚至影響構(gòu)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(gòu)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(gòu)件箍筋構(gòu)造特殊，采用這種箍筋構(gòu)造鋼骨柱的非線性行為將嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)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(jìn)行數(shù)值模擬，用于預(yù)測構(gòu)件在地震作用下的性能，從而確定建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，能夠在實際工程設(shè)計中更真實反映構(gòu)件受力狀態(tài)和變形情況。

1　Abaqus有限元軟應(yīng)用分析

Abaqus是一套功能強(qiáng)大的工程模擬有限元軟件，其解決的問題從線性分析到復(fù)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(jié)構(gòu)工程問題。本文主要是應(yīng)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(jìn)行數(shù)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(jù)分析結(jié)果給出針對這類構(gòu)件箍筋設(shè)計的建議。

1.1混凝土的本構(gòu)關(guān)系

Abaqus中提供了3種混凝土本構(gòu)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(gòu)關(guān)系，損傷塑性模型適用于模擬構(gòu)件在往復(fù)荷載作用下混凝土材料的本構(gòu)關(guān)系，并且能夠考慮材料在往復(fù)荷載作用下的損傷、裂縫開展、裂縫閉合及剛度恢復(fù)等行為。

混凝土應(yīng)力—應(yīng)變曲線采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)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(zhǔn)則由損傷因子d和損傷恢復(fù)系數(shù)w共同決定，其中損傷因子d是應(yīng)力狀態(tài)和損傷演化參數(shù)dc和dt的函數(shù)。目前，關(guān)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(yīng)力狀態(tài)的剛度恢復(fù)函數(shù)，由以下方程定義：

(2)

(3)

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

假定混凝土材料的非彈性應(yīng)變εin中塑性應(yīng)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(yīng)變與非彈性應(yīng)變的比例系數(shù)，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(yīng)變。

1.2鋼材的本構(gòu)關(guān)系

鋼材的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)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(qiáng)度代表值，其值可根據(jù)實際結(jié)構(gòu)分析需要分別取fy、fyk或fym；fst,r為鋼材的極限強(qiáng)度代表值，其值可根據(jù)實際結(jié)構(gòu)分析需要分別取fst、fstk或fstm；εy為與fy,r相應(yīng)的鋼材屈服應(yīng)變，可取fy,r/Es；εu為與fst,r相應(yīng)的鋼筋峰值應(yīng)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(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)線性三維桁架單元，即T3D2。

2　大長寬比鋼骨混凝土短柱的數(shù)值模擬

2.1模擬試件和參數(shù)

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(cè)不同箍筋構(gòu)造的大長寬比鋼骨混凝土短柱的數(shù)值模擬效果。這3個構(gòu)件的詳細(xì)參數(shù)見表1所示，腹板兩側(cè)箍筋構(gòu)造示意見圖1。

表1　試件設(shè)計參數(shù)

(a)試件1

(b)試件2

(c)試件3圖1　試件1～3腹板兩側(cè)箍筋布置示意圖

2.2滯回曲線和骨架曲線

根據(jù)上述材料參數(shù)，各試件低周反復(fù)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(shù)值分析能夠較好的模擬各試件在反復(fù)荷載作用下的受力行為，包括構(gòu)件在反復(fù)荷載作用下的骨架曲線和構(gòu)件在加載、卸載、再加載過程中剛度和強(qiáng)度退化的準(zhǔn)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(shù)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(cè)箍筋全未穿過腹板構(gòu)件的極限抗剪承載力低于腹板兩側(cè)箍筋穿過腹板構(gòu)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(cè)箍筋部分穿過腹板構(gòu)件的極限承載力反而高于箍筋全部穿過腹板的構(gòu)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(shù)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。

3　與規(guī)范計算結(jié)果對比

由《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》要求，鋼骨混凝土柱斜截面受剪承載力，應(yīng)滿足：

(6)

(7)

其中：tw為鋼骨腹板厚度；hw為鋼骨腹板高度；twhw應(yīng)計入與受剪方向一致的所有鋼骨板材的面積；fssv為鋼骨腹板的抗剪強(qiáng)度設(shè)計值。

(a)試件1

(b)試件1

(c)試件2

(d)試件2

(e)試件3

(f)試件3

mm

表4　層間位移角試驗與數(shù)值模擬對比

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

其中：Ac為柱的截面面積；As為受拉縱筋面積；Ass為鋼骨面積。

按照式(6)～式(13)計算試件1～3抗剪承載力為376.2 kN，小于數(shù)值模擬結(jié)果，說明按本文方法設(shè)計的試件能夠滿足受力性能要求。

4　結(jié)論

本文采用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(jìn)行數(shù)值模擬，通過對比數(shù)值模擬結(jié)果得到以下結(jié)論：

(1)采用全部穿過鋼骨腹板、部分穿過鋼骨腹板、全部不穿過鋼骨腹板三種構(gòu)造方式的大長寬比鋼骨混凝土短柱的抗剪承載力相差不大，其層間位移角和延性系數(shù)均能滿足規(guī)程要求。

(2)采用部分穿過鋼骨腹板、全部穿過鋼骨腹板構(gòu)造的鋼骨柱抗剪承載力高于全部不穿過鋼骨腹板箍筋構(gòu)造的鋼骨柱。

(3)箍筋大量穿過腹板并不一定能大幅度提高構(gòu)件抗剪承載力。

[1]JGJ 3-2010 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[2]YB 9082-2006 鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[3]馬兆標(biāo). 鋼骨超高強(qiáng)混凝土短柱抗剪承載力的試驗研究[D]. 大連理工大學(xué), 2004.

TU311.3

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[定稿日期]2016-07-22