王城泉 鄒昀 郭翔

型鋼混凝土(SRC)結(jié)構(gòu)是鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)的一種形式。與傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)或混凝土(RC)結(jié)構(gòu)相比，SRC結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的性能優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，在國(guó)內(nèi)外被廣泛應(yīng)用［1，2］?；謴?fù)力模型是根據(jù)大量從試驗(yàn)中獲得的恢復(fù)力與變形的關(guān)系曲線經(jīng)適當(dāng)抽象和簡(jiǎn)化而得到的實(shí)用數(shù)學(xué)模型，是結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震性能在結(jié)構(gòu)彈塑性地震反應(yīng)分析中的具體體現(xiàn)。國(guó)內(nèi)外有關(guān)專家學(xué)者對(duì)普通混凝土框架柱在恢復(fù)力特性方面作了大量的試驗(yàn)研究，并提出了一系列的恢復(fù)力特性的計(jì)算模型，這些研究成果對(duì)型鋼混凝土構(gòu)件恢復(fù)力模型的研究具有重要意義。型鋼混凝土結(jié)構(gòu)是介于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)之間的一種結(jié)構(gòu)，它兼有鋼筋混凝土和鋼結(jié)構(gòu)的一些特點(diǎn)，構(gòu)件的恢復(fù)力特性也介于兩者之間。當(dāng)型鋼含量較少時(shí)，恢復(fù)力特性接近于鋼筋混凝土構(gòu)件的特性;當(dāng)型鋼含量較多時(shí)，型鋼混凝土構(gòu)件在一定條件下具有了鋼構(gòu)件的某些特性。故在此，對(duì)型鋼混凝土的恢復(fù)力特性進(jìn)行非線性數(shù)值模擬。

1 有限元分析模型

1． 1 構(gòu)件基本信息

有限元模型的長(zhǎng)度采用1．5 m，保護(hù)層厚度為25 mm，采用對(duì)稱配筋。型鋼的翼緣寬度為150 mm，厚度為10 mm，腹板的寬度為6 mm，高度為180 mm。型鋼混凝土柱的截面如圖1所示;用于對(duì)比分析的普通混凝土柱的截面尺寸與配筋同型鋼混凝土柱。

分析模型中混凝土、鋼筋及型鋼采用ABAQUS中的實(shí)體Solid單元;縱筋和箍筋采用Wire單元，如圖2所示。

圖1 SRC柱截面圖

圖2 有限元分析模型

1． 2 材料的本構(gòu)關(guān)系

1．2．1 混凝土本構(gòu)關(guān)系

對(duì)于SRC柱可劃分為箍筋外無(wú)約束混凝土區(qū)和箍筋內(nèi)有約束混凝土區(qū)，箍筋外認(rèn)為混凝土處于單軸受壓應(yīng)力狀態(tài)，采用Saenz模型來(lái)模擬無(wú)約束區(qū)混凝土單軸受壓應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系。箍筋內(nèi)認(rèn)為混凝土處于多軸受力狀態(tài)，可等效為單軸受壓應(yīng)力狀態(tài)，所采用的混凝土應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖3所示。

1．2．2 鋼材本構(gòu)關(guān)系

分析中縱筋、箍筋和型鋼均采用常用的多折線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型(MKIN)，如圖4所示。泊松比均為0．25。鋼材受拉超過(guò)屈服平臺(tái)后進(jìn)入強(qiáng)化段，強(qiáng)化段簡(jiǎn)化為直線，屈服平臺(tái)對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)變即假設(shè)為εs=4εy。受拉鋼筋和型鋼翼緣的極限拉應(yīng)變根據(jù)fy，fu，E1，E2計(jì)算得到。分析模型中鋼材的力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

圖3 混凝土受壓的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系圖

圖4 鋼材本構(gòu)關(guān)系

表1 鋼材材料性能

2 SRC柱與RC柱對(duì)比分析

2． 1 單調(diào)加載下的性能對(duì)比

為了研究型鋼對(duì)混凝土柱力學(xué)性能的影響，建立兩組SRC柱與RC柱的對(duì)比分析模型，兩組試件采用不同的軸壓比，其余信息均相同。如相同的截面尺寸、混凝土等級(jí)以及箍筋配筋率。構(gòu)件的基本信息如表2所示。在柱頂施加相同的位移，單調(diào)荷載作用下得到各構(gòu)件的P—Δ曲線。對(duì)比分析結(jié)果如圖5所示。柱的承載力有明顯提高，同時(shí)，構(gòu)件的變形能力也得到改善。

表2 SRC柱與RC柱模型參數(shù)

圖5 SRC柱與RC柱的P—Δ對(duì)比曲線

2． 2 SRC柱與RC柱的滯回性能分析

循環(huán)往復(fù)荷載作用下，得到不同構(gòu)件的滯回曲線。將各組鋼骨混凝土柱與普通混凝土柱模型的滯回曲線繪制于同一幅圖中，如圖6所示。很顯然，鋼骨混凝土柱與普通混凝土柱的滯回特性具有明顯差異，鋼骨混凝土柱的滯回曲線比普通混凝土柱的滯回曲線飽滿，說(shuō)明地震作用下，鋼骨混凝土柱的抗震性能得到了明顯改善。利用最大的滯回環(huán)進(jìn)一步計(jì)算的兩柱的耗能能力，耗能結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表3。從表3可以看出，型鋼混凝土柱的耗能能力達(dá)到普通混凝土柱的1．4倍以上。軸壓比越小，型鋼混凝土柱的耗能能力提高越多。

圖6 SRC柱與RC柱滯回曲線對(duì)比

表3 耗能結(jié)果對(duì)比

3 軸壓比對(duì)SRC柱滯回性能的影響

建立 SRC3，SRC4，SRC5三根柱模型，軸壓比分別為 0．15，0．30 和0．40，模型具體參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 不同軸壓比下模型的參數(shù)

3． 1 滯回曲線

循環(huán)往復(fù)荷載作用下，得到不同構(gòu)件的滯回曲線，如圖7所示。

圖7 不同軸壓比SRC柱滯回曲線

3． 2 耗能能力和骨架曲線

繪出三根構(gòu)件最大的滯回環(huán)，如圖8所示。通過(guò)計(jì)算滯回環(huán)所包圍的面積可以得到，不同軸壓比下型鋼柱的耗能能力，耗能結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表5。不同軸壓比SRC柱骨架曲線見(jiàn)圖9。

圖8 不同軸壓比SRC柱滯回環(huán)

表5 不同軸壓比SRC柱耗能結(jié)果對(duì)比

圖9 不同軸壓比SRC柱骨架曲線

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用有限元分析軟件ABAQUS對(duì)型鋼混凝土柱(SRC)進(jìn)行了靜力加載與循環(huán)往復(fù)加載下的非線性有限元分析。得到結(jié)論如下:1)單調(diào)加載下型鋼混凝土柱(SRC)的承載力與變形能力明顯高于普通混凝土柱(RC)。2)在循環(huán)往復(fù)荷載作用下，型鋼混凝土柱的滯回環(huán)比普通混凝土柱飽滿，型鋼混凝土柱的耗能能力達(dá)到普通混凝土柱的1．4倍以上。3)相同條件下，軸壓比對(duì)型鋼混凝土柱的滯回特征、耗能和骨架曲線有影響，隨著柱軸力的減小，型鋼混凝土柱的耗能能力有所降低。

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