型钢高强混凝土柱抗震性能的非线性有限元分析

彭 燕

(杨凌职业技术学院, 陕西 杨凌 712100)

框架结构的构件震害一般是梁轻柱重，尤其是角柱和边柱更易发生破坏。柱是框架结构的主要承重构件，出现较大的塑性变形后难以修复，柱破坏可能引起整个结构倒塌。柱的承载力和变形对整体结构的抗震性能影响较大。型钢高强混凝土柱与普通钢筋混凝土柱相比在力学性能上有许多优点：承载力高、刚度大、抗震性能好、防火性能高等优点。大量试验表明[1]，型钢分担了柱的部分轴力，混凝土部分的轴压比得到了有效减小，故而柱的抗震性能得到提高。因此，型钢高强混凝土柱被广泛应用于现代超高层建筑。

1 有限元模型的建立

为了更加逼真的模拟型钢混凝土柱的受力性能，因为试件形状规则，混凝土采用实体SOLID65单元，型钢采用实体SOLID45单元，故采用映射网格划分法[2]。为了很好的模拟计算构件的应力，单元方向尺寸比控制在5以内，划分单元时对受力和塑性变形相对较大的区域进行网格局部调整。试件中考虑到模型最小尺寸、收敛计算、计算时间等因素将单元尺寸定义为120 mm[3]。试件的有限元网格划分情况如图1所示。

2 模型加载方案

(1)为了更加逼真模拟型钢混凝土柱在实际中的受力状态，在模型中约束了柱脚结点所有方向的自由度，即视为固定端，并且在柱底截面结点添加三个方向的约束。因试件设置为悬臂梁形式，故柱顶端为自由端，不施加任何约束。

(2)外荷载N、V在试验过程中采用不同的添加方式，在加载过程中应特别予以注意。试件在柱顶施加了0.4Ny(Ny通过轴压比来确定)的轴力；水平力V采用位移加载。

3 抗震性能评价指标

3.1 型钢等效应力分析

图2、图3及图4分别为型钢高强混凝土柱试件1、试件2、试件3的应力、应变图，试件是在柱顶施加竖向荷载0.4 Ny以及水平位移的条件下进行得到的应力、应变图。

图2(a)、(b)为型钢高强混凝土柱在水平位移荷载为Δu时型钢Misses等效应力图和混凝土应力图。从图中不难看出，柱中型钢最大Misses等效应力值为251.37 MPa出现在柱底和柱跨中受压侧，型钢已达到其屈服极限。混凝土最大应力出现在受压处其中混凝土最大拉应力出现在左边柱底端处最大值为42.28 MPa，最大压应力为51.28 MPa，而其他部位的应力均比较小。

图3(a)、(b)为型钢高强混凝土柱在水平位移荷载为Δu时型钢Misses等效应力图和混凝土应力图。从图中可以看出，对于柱中型钢最大Misses等效应力值为249.47 MPa出现在柱底受压侧，已达到屈服极限。混凝土最大应力出现在受拉处其中混凝土最大拉应力为89.27 MPa，最大压应力出现在右边柱底端处最大值为87.5 MPa。

图4(a)、(b)为型钢高强混凝土柱在水平位移荷载为Δu时混凝土应力图和型钢Misses等效应力图。从图中可以看出，柱中型钢最大Misses等效应力值为286.27 MPa出现在柱底受压侧。混凝土最大压应力出现在柱底端左边，其中混凝土最大压应力为95.68 MPa，最大拉应力出现在右边柱底端处最大值为90.9 MPa。

图1 试件单元网格划分

图2 试件1应力图

图3 试件2应力图

图4 试件3应力图

3.2 相同轴压比下试件延性及耗能能力的比较

当轴压比相同时(n=0.45)，试件1、试件2及试件3的骨架曲线如图5所示。

试件1延性系数μΔ1=Δu/Δy=5.5/1.8=3.1;

试件2延性系数μΔ2=Δu/Δy=3/1.2=2.5;

试件3延性系数μΔ3=Δu/Δy=7.5/2.8=2.7。

图5 钢骨形式的不同对骨架曲线的影响

从图5骨架曲线及延性系数可以看出，不同型钢形式的试件表现出不同的性能。延性系数越大，柱子的延性越好。采用带翼缘十字形型钢柱(试件1)的延性性能和耗能能力都较好；而采用不带翼缘的十字形型钢柱(试件2)的抗震性能却相对较差，因为翼缘可以使柱子抵抗侧向变形能力和承载力极大的提高，而且带翼缘的十字形钢骨对核心混凝土的约束能力强，荷载、外包保护层混凝土剥落后，其内包混凝土也能与型钢继续共同工作，从而改善了构件的抗震性能。工字形型钢柱(试件3)只是在其配置了型钢的强轴方向上表现出良好的延性和耗能能力。

4 结 论

(1)在同等条件下(含钢率、配箍率、纵向配箍率、轴压比相同),带翼缘十字形型钢柱的延性、水平向的屈服位移和极限位移均大于不带翼缘十字形型钢；工字形型钢在其强轴方向上的延性、水平向的屈服位移和极限位移大于带翼缘十字形型钢。

(2)翼缘对核心混凝土的约束作用不仅有利于提高柱的承载力，可以使柱子抵抗侧向变形能力极大的提高。

(3)轴压力系数和耗能能力是影响型钢高强混凝土柱抗震性能的两个重要参数。随着轴压力系数的增加，型钢高强混凝土柱的延性和耗能能力均降低。

参考文献：

[1] 李云云，李 斌.钢骨高强混凝土柱抗震性能影响因素的研究[J].内蒙古科技大学学报，2007，(3).

[2] 任亚平.型钢混凝土框架结构受力性能研究[J].西安科技大学，2012.

[3] 段小雨.型钢高强混凝土柱数值模拟分析[D].重庆大学，2007.