低周反复载荷下型钢钢管混凝土柱力学性能

刘　晓, 任　攀, 王　兵, 李　敏

(沈阳大学 建筑工程学院, 辽宁 沈阳　110044)

低周反复载荷下型钢钢管混凝土柱力学性能

刘晓, 任攀, 王兵, 李敏

(沈阳大学 建筑工程学院, 辽宁 沈阳110044)

摘要:为了研究型钢钢管混凝土的滞回性能,利用有限元软件,选择约束效应系数和强弱轴不同加载方向为参数,对型钢钢管混凝土柱的耗能、延性等滞回性能进行了研究.研究表明,各构件的载荷-位移滞回曲线饱满,构件在低周反复载荷下的承载、耗能能力,以及延性可以通过提高约束效应系数而增强,强弱轴不同加载方式对构件的承载力影响不大.

关键词:钢管钢骨混凝土; 约束效应系数; 强弱轴; 延性; 滞回性能

钢材抗拉、抗压、抗弯性能优越,但不耐火和不耐腐蚀,混凝土的耐压及耐火性能优越,但是抗弯性能不好.将混凝土注入钢管内,能提高钢管的稳定性,以免钢管在火灾下承载力减小.由于外钢管约束,混凝土处于多向受压状态,自身的抗压、抗变形、抗冲击能力得到增强.混凝土的存在,使得内部工字钢得到保护,能够抵抗外界的腐蚀,同时可以吸收热量,弥补钢材不耐火的缺点.当混凝土破坏后,工字钢可以继续承受载荷,防止构件突然破坏.钢管还可以充当混凝土的模板,缩短施工期限.目前对于型钢钢管混凝土柱,主要进行了内置十字形以及内置工字形型钢钢管混凝土柱滞回性能的研究[1-4],对外包圆形钢管、内嵌工字钢这种形式的钢管钢骨混凝土构件的抗震性能研究欠缺.本文将对此种型钢钢管混凝土构件的力学性能进行研究.

1模型建立及本构关系

1.1本构关系

(1) 钢管的本构关系.本次实验外钢管的型号为Q235,采用五折线σ-ε关系曲线[5],见图1.

(2) 型钢的本构关系. 型钢所受侧向载荷较小,模拟时假定在外钢管及混凝土的约束下只受轴向载荷,所以与受拉σ-ε曲线十分相似.在模拟中,该模型使用如图2所示的四折线σ-ε关系曲线[6].

图1　钢管的σε关系曲线

图2　型钢的σε关系曲线

(3) 核心混凝土的本构关系. 核心混凝土本构关系是在现有钢管核心混凝土σ-ε曲线[7](εc为混凝土纵向压应变;σc-εc为对应混凝土的压应力)基础上的修正,其结果通过文献[8]中所述轴压试验得以验证,修正后的公式为:

1.2型钢钢管混凝土柱有限元建模

Part部分,钢管设成3D Deformable Shell,混凝土和内置工字钢为3D Deformable Solid.

图3模型部件

Fig.3Model component diagram

(a)—钢管; (b)—核心混凝土; (c)—型钢; (d)—盖板; (e)—整体模型.

Property部分,分别为不同的部分设置不同的本构关系并且指定到相应的截面,Shell厚度方向选取 9 个积分点的 Simpson 积分.各部件模拟如图3所示.

在Step部分将Nlgeom设为ON;在Property部分根据描点作图的方法,设置非线性的材料属性;边界条件设成非线性并在Interaction部分设置相应的接触关系.

对于部件间的接触,将端板与外钢管和工字钢设为焊接、混凝土与端板和工字钢为绑定、混凝土与钢管间摩擦接触.

2参数分析

2.1强弱轴方向施加位移的影响

图4强轴加载和弱轴加载的图示

Fig.4Schematic diagram of minor and

major axial loading

工字钢本身是非轴对称构件,在加载方向上有强弱轴之分,见图4.本文将以强弱轴不同的加载方向及约束系数为参数进行抗震分析.

2.2构件参数

混凝土的抗压强度为70 MPa,钢骨和钢管的屈服强度为235 MPa,轴压比为0.2.具体内容见表1.

表1　构件参数

注:D、t分别表示钢管的直径和厚度;fck、fty、fsy分别表示混凝土的抗压强度、型钢和钢管的屈服强度.

2.3加载方式

选取位移控制加载方式.

2.4滞回曲线

图5滞回曲线

Fig.5Hystereticcurve

(a)—强轴加载,θ=0.123; (b)—弱轴加载,θ=0.123; (c)—强轴加载,θ=0.186;

(d)—弱轴加载θ=0.186; (e)—强轴加载,θ=0.312; (f)—弱轴加载θ=0.312.

为了反映构件的承载能力、刚度和延性等特征,本文对构件的滞回性能进行研究.滞回曲线是构件在反复载荷作用下位移与载荷之间的关系曲线,通过反复加载与卸载绘制成滞回环曲线,见图5.

外钢管使混凝土三向受压,内部型钢使混凝土的裂缝开展缓慢.因混凝土弥补了钢材构件容易失稳的缺陷,使得构件的整体稳定性得到提高.通过对滞回环的分析可见,构件在不同的θ或者加载方式下,均可以得到饱满的滞回曲线,说明构件抗震性能良好.

在滞回性能研究中,构件在一次反复载荷加载下所吸收的能量可以用一个滞回环所围成的面积表示.如果不考虑弹塑性只单一考虑弹性阶段,几乎重合,这样所得滞回环包围的面积是很小的,说明吸收的能量极少,抗震性能不好.考虑弹塑性后,卸载后曲线与本次加载的曲线分隔较大,得到面积也大,说明吸收的能量较多,抗震性能好.由图5滞回曲线可以发现,滞回环图形面积随着反复加载不断增大,说明构件的滞回耗能能力良好.

2.5骨架曲线

利用滞回曲线, 将在反复载荷作用下的峰值点与第一次达到屈服强度加载曲线的上升段连接起来, 就能够得到一条轨迹曲线, 这就是骨架曲线, 如图6所示. 通过构件的骨架曲线能反映出构件的开裂、极限强度以及变形能力等力学特征.

图6不同方向加载的骨架曲线

Fig.6Skeletoncurveofdifferentloadingdirection

(a)—θ=0.123; (b)—θ=0.186; (c)—θ=0.312.

从图6可以看出,曲线在经历弹性阶段后会逐渐达到峰值,曲线没有明显的下降,这说明构件延性好,有很好的抗震性能.工字钢本来有强弱轴之分,然而通过骨架曲线还能发现沿弱轴方向加载的峰值与沿强轴加载的峰值差别不大,并且弹性模量差别也不大,非常接近,这可能是由于外钢管及混凝土的约束作用使得内部型钢强弱轴的差别不再那么明显.

从不同约束效应系数θ(图7)可得出以下结论:

(1) 构件的极限承载能力随着θ的增大而明显增强,例如θ=0.312的构件比θ=0.123的构件的极限承载力提高了80%左右.

图7不同约束效应系数的骨架曲线

Fig.7Skeleton curve of different constraint effect coefficient

(a)—沿强轴加载不同约束系数的骨架曲线; (b)—沿弱轴加载不同约束系数的骨架曲线.

(2) 弹性阶段:构件θ提高,弹性模量也会提高.因为当构件处于弹性阶段时,力和位移相对较小,混凝土和型钢的作用没有太明显地体现出来,主要是外钢管发挥作用.这时钢管的厚度对弹性模量的影响就会非常明显,管壁薄θ小,弹性模量也就越小.

2.6无量纲骨架曲线

无量纲骨架曲线是指以加载过程中的水平载荷与峰值载荷之比为纵坐标,以水平位移与峰值载荷所对应的位移之比为横坐标所得到的曲线.通过无量纲骨架曲线可以反映出加载过程的变形特征和强度衰减情况.

图8不同加载方向的无量纲骨架曲线

Fig.8Non-dimensional skeleton curve of different loading direction

(a)—θ=0.123; (b)—θ=0.186; (c)—θ=0.312.

从图8中的无量纲骨架曲线中可以看出,各构件从开始加载到达到峰值之前均为弹性阶段,不同加载方向所得弹性阶段的变形特征相似,达到峰值后均有下降段.且弱轴下降段比强轴下降段下降缓慢,说明构件在峰值载荷后沿弱轴加载的抗变形能力和延性略好于强轴加载.

图9不同约束效应系数的无量纲骨架曲线

Fig.9Non-dimensional skeleton curve of different constraint effect coefficient

(a)—强轴加载; (b)—弱轴加载.

从图9不同约束效应系数的无量纲骨架曲线能够发现,各构件在加载的初始阶段为弹性阶段,以弹性变形为主.在一定范围内,曲线斜率随着θ的提高而提高.在到达峰值点之后,曲线开始平缓下降,这意味着构件的承载能力开始下降.

2.7延性

延性是指材料的结构、构件或构件的某个截面从屈服开始到达最大承载能力或到达以后而承载能力还没有明显下降期间的变形能力.

在构件达到极限载荷之后并不会立即退出工作,仍然具有一定的承载能力.延性系数是指极限载荷之后的最大变形Δu与Δy之比,见表2,Δy是指极限载荷时对应的极限变形.

表2　延性系数

轴压比、θ、混凝土强度等因素都能影响型钢钢管混凝柱的延性,本文主要研究不同加载方向和θ对构件延性的影响.

从表2中可以看出,在其他参数不变的情况下,组合柱的延性系数μ与强弱轴不同加载方向关系不大,但随θ的增大而增大.以强轴加载为例,当θ从0.123增加到0.186时和从0.186增加到0.312时,延性系数分别增加了2.5%和7.4%.现从两个方面加以解释:

(1) 从混凝土的角度讲,将水平力施加在柱子顶端,柱子便有了变形,并且变形随着水平载荷的增大而增大,当增大到一定程度后,便会受到外部钢管的约束作用,这样就会使混凝土的极限应变增加,变形能力增强,整个柱子的延性便会随之增加.即μ会随着θ的提高而增大.

(2) 从钢管角度讲,钢管对混凝土有约束的作用,约束作用变强,就意味着钢管要承担更多的载荷,这样混凝土原本承担的载荷就会变小,其应变也会相应减小,因此构件的延性就会变高.

极限位移角能够反映构件的变形能力,用极限位移除以层高可以得到极限位移角Rμ.即Rμ=Δu/Lh.计算结果见表3.

表3　极限位移角

从表3可以看出,在其他参数不变的情况下,随着θ增大极限位移角都有提高,这意味着在一定范围内,通过提高构件的θ可以明显增强构件的延性.强弱轴不同的加载方向对极限位移角也有影响,但是随着θ的提高,强弱轴的极限位移角差别会减小.

3结语

(1) 在不同θ及强弱轴不同加载方向下,各构件的载荷-位移滞回曲线没有明显的捏缩现象出现,都比较饱满,这说明构件的耗能能力和塑性变形能力良好.利用滞回曲线围成的面积对构件的耗能能力进行分析,得出构件的耗能能力随θ的增大而增强.同时,通过改变构件参数,可以调整滞回曲线的外形以及承载能力.

(2) 通过分析骨架曲线和无量纲骨架曲线,发现曲线达到最大值后,下降速度平缓,构件的后期延性好,具有良好的抗震性能.

(3) 通过研究组合柱的延性系数μ和极限位移角Ru得出,增大θ可以提高构件的延性.在一定范围内,强弱轴加载方向对构件延性影响不大.

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【责任编辑: 祝颖】

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Mechanical Properties of Steel Tube Filled with Steel-Reinforced Concrete Column under Low Cyclic Loading

LiuXiao,RenPan,WangBing,LiMin

(Architectural and Civil Engineering College, Shenyang University, Shenyang 110044, China)

Abstract:In order to research the hysteretic behavior of steel tube filled with steel-reinforced concrete column, ABAQUS finite element analysis software is used to analyze hysteretic behavior, such as energy consumption and ductility, by comparing different select constraint effect coefficient and minor and major axis loading. The results show that, the load-displacement hysteretic curve of the components is full; the seismic capacity, energy dissipation capacity and ductility of the components could be enhanced by improving constraint effect coefficient under low cyclic loading; and minor and major axis loading has little effect on bearing capacity of member.

Key words:steel tube filled with steel-reinforced concrete composite column; constraint effect coefficient; minor and major axis loading; ductility; hysteretic behavior

中图分类号:TU 398

文献标志码:A

文章编号:2095-5456(2015)06-0477-06

作者简介:刘晓(1974-),女,辽宁沈阳人,沈阳大学教授,博士后研究人员.

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51308347); 辽宁省自然科学基金资助项目(20092044).

收稿日期:2015-06-06