型钢混凝土柱循环荷载下的数值模拟★

王城泉 邹昀 郭翔

型钢混凝土(SRC)结构是钢—混凝土组合结构的一种形式。与传统的钢结构或混凝土(RC)结构相比，SRC结构具有很强的性能优势和经济优势，在国内外被广泛应用［1，2］。恢复力模型是根据大量从试验中获得的恢复力与变形的关系曲线经适当抽象和简化而得到的实用数学模型，是结构构件的抗震性能在结构弹塑性地震反应分析中的具体体现。国内外有关专家学者对普通混凝土框架柱在恢复力特性方面作了大量的试验研究，并提出了一系列的恢复力特性的计算模型，这些研究成果对型钢混凝土构件恢复力模型的研究具有重要意义。型钢混凝土结构是介于钢筋混凝土结构和钢结构之间的一种结构，它兼有钢筋混凝土和钢结构的一些特点，构件的恢复力特性也介于两者之间。当型钢含量较少时，恢复力特性接近于钢筋混凝土构件的特性;当型钢含量较多时，型钢混凝土构件在一定条件下具有了钢构件的某些特性。故在此，对型钢混凝土的恢复力特性进行非线性数值模拟。

1 有限元分析模型

1． 1 构件基本信息

有限元模型的长度采用1．5 m，保护层厚度为25 mm，采用对称配筋。型钢的翼缘宽度为150 mm，厚度为10 mm，腹板的宽度为6 mm，高度为180 mm。型钢混凝土柱的截面如图1所示;用于对比分析的普通混凝土柱的截面尺寸与配筋同型钢混凝土柱。

分析模型中混凝土、钢筋及型钢采用ABAQUS中的实体Solid单元;纵筋和箍筋采用Wire单元，如图2所示。

图1 SRC柱截面图

图2 有限元分析模型

1． 2 材料的本构关系

1．2．1 混凝土本构关系

对于SRC柱可划分为箍筋外无约束混凝土区和箍筋内有约束混凝土区，箍筋外认为混凝土处于单轴受压应力状态，采用Saenz模型来模拟无约束区混凝土单轴受压应力—应变关系。箍筋内认为混凝土处于多轴受力状态，可等效为单轴受压应力状态，所采用的混凝土应力—应变曲线如图3所示。

1．2．2 钢材本构关系

分析中纵筋、箍筋和型钢均采用常用的多折线性随动强化模型(MKIN)，如图4所示。泊松比均为0．25。钢材受拉超过屈服平台后进入强化段，强化段简化为直线，屈服平台对应的最大应变即假设为εs=4εy。受拉钢筋和型钢翼缘的极限拉应变根据fy，fu，E1，E2计算得到。分析模型中钢材的力学性能指标见表1。

图3 混凝土受压的应力—应变关系图

图4 钢材本构关系

表1 钢材材料性能

2 SRC柱与RC柱对比分析

2． 1 单调加载下的性能对比

为了研究型钢对混凝土柱力学性能的影响，建立两组SRC柱与RC柱的对比分析模型，两组试件采用不同的轴压比，其余信息均相同。如相同的截面尺寸、混凝土等级以及箍筋配筋率。构件的基本信息如表2所示。在柱顶施加相同的位移，单调荷载作用下得到各构件的P—Δ曲线。对比分析结果如图5所示。柱的承载力有明显提高，同时，构件的变形能力也得到改善。

表2 SRC柱与RC柱模型参数

图5 SRC柱与RC柱的P—Δ对比曲线

2． 2 SRC柱与RC柱的滞回性能分析

循环往复荷载作用下，得到不同构件的滞回曲线。将各组钢骨混凝土柱与普通混凝土柱模型的滞回曲线绘制于同一幅图中，如图6所示。很显然，钢骨混凝土柱与普通混凝土柱的滞回特性具有明显差异，钢骨混凝土柱的滞回曲线比普通混凝土柱的滞回曲线饱满，说明地震作用下，钢骨混凝土柱的抗震性能得到了明显改善。利用最大的滞回环进一步计算的两柱的耗能能力，耗能结果对比见表3。从表3可以看出，型钢混凝土柱的耗能能力达到普通混凝土柱的1．4倍以上。轴压比越小，型钢混凝土柱的耗能能力提高越多。

图6 SRC柱与RC柱滞回曲线对比

表3 耗能结果对比

3 轴压比对SRC柱滞回性能的影响

建立 SRC3，SRC4，SRC5三根柱模型，轴压比分别为 0．15，0．30 和0．40，模型具体参数见表4。

表4 不同轴压比下模型的参数

3． 1 滞回曲线

循环往复荷载作用下，得到不同构件的滞回曲线，如图7所示。

图7 不同轴压比SRC柱滞回曲线

3． 2 耗能能力和骨架曲线

绘出三根构件最大的滞回环，如图8所示。通过计算滞回环所包围的面积可以得到，不同轴压比下型钢柱的耗能能力，耗能结果对比见表5。不同轴压比SRC柱骨架曲线见图9。

图8 不同轴压比SRC柱滞回环

表5 不同轴压比SRC柱耗能结果对比

图9 不同轴压比SRC柱骨架曲线

4 结语

本文利用有限元分析软件ABAQUS对型钢混凝土柱(SRC)进行了静力加载与循环往复加载下的非线性有限元分析。得到结论如下:1)单调加载下型钢混凝土柱(SRC)的承载力与变形能力明显高于普通混凝土柱(RC)。2)在循环往复荷载作用下，型钢混凝土柱的滞回环比普通混凝土柱饱满，型钢混凝土柱的耗能能力达到普通混凝土柱的1．4倍以上。3)相同条件下，轴压比对型钢混凝土柱的滞回特征、耗能和骨架曲线有影响，随着柱轴力的减小，型钢混凝土柱的耗能能力有所降低。

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［4］ 郭子雄，吕西林．高轴压比下RC框架柱恢复力模型试验研究［J］．土木工程学报，2004，37(5):32-38．

［5］ 刘良林，王全凤，沈章春．基于损伤的累积滞回耗能与延性系数［J］．华侨大学学报(自然科学版)，2009，30(2):186-190．

［6］ M．Geromel，O．Mazzarella．Experimental and analytical assessment of the behavior of stainless steel reinforced concrete beams［J］．Materials and Structures，2005，38(2):211-218．

［7］ Wenzhong Zheng，Jing Ji．Dynamic performance of angle-steel concrete columns under low cyclic loading-I:Experimental study［J］．Earthquake Engineering and Engineering Vibration，2008，7(1):67-75．

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