郝海燕 刘骁骁
型钢混凝土结构与一般的钢筋混凝土结构,两种结构都是由钢材与混凝土结合而成,不同之处在于:型钢混凝土内部填充的是型钢,钢筋混凝土结构则是在内部有规律的填充钢筋。目前,国内外学者主要针对型钢混凝土组合结构(以下简称SRC结构)的性能进行了研究[1~3]。例如,文献[4]采用三维有限元软件建立合理的节点模型,考虑节点受力性能在不同因素下的影响。文献[5]分析混凝土的力学行为,利用混凝土损伤塑性,研究了混凝土强度、型钢强度与含钢率对轴压受力状态下型钢混凝土构件的承载力与破坏情况。文献[6]指出:在荷载达到80%极限载荷后型钢与混凝土会发生明显的粘结滑移。
现有研究大多将结构视为整体,忽略型钢与混凝土两种不同材料之间的粘结滑移对结构整体抗震响应的影响。针对地震作用下型钢参数变化对型钢混凝土组合结构抗震性能的影响研究更为匮乏。为此,本文考虑了型钢与混凝土之间的粘结滑移,建立了整体SRC组合结构而非构件,进而研究型钢翼缘宽度比变化对SRC组合结构的抗震性能影响。将一榀框架作为算例,施加罕遇地面运动,对SRC组合结构的抗震性能在型钢参数影响下进行了详细的研究,得出一定的结论,为实际工程的抗震设计提供理论支撑。
本文研究对象为一榀、一层两跨SRC结构,柱和梁分别为型钢混凝土构件和钢筋混凝土构件。SRC结构参数如下:层高3.9m,跨度为4.8m,柱和梁的截面尺寸分别为500mm×500mm和350mm×500mm,混凝土的强度等级设为C35,型钢柱混凝土的保护层厚度设为50mm,钢筋与型钢钢材为Q235级。基于实体力钢筋法,型钢混凝土柱的整体式模型采用有限元软件ANSYS建立,即,钢筋混凝土和型钢通过实体单元来模拟。钢筋混凝土通过SOLID65模拟,型钢通过SOLID45模拟,非线性弹簧单元COMBIN39模拟型钢与混凝土之间的滑移。
根据相关研究可以知道,型钢混凝土构件中型钢翼缘对构件粘结性能的影响较大,应作为研究粘结滑移时的主要考虑对象。因此,在将型钢用于型钢构件中时,应尽量使用宽翼缘的型钢,这样内部混凝土的约束作用可进一步加强,提高结构的稳定性。表1给出翼缘宽度比不同时结构柱截面示意图以及型钢翼缘宽度比参数变化。
表1 型钢翼缘宽度比参数变化表
根据表2~3可得,随着翼缘宽度比的增大,型钢结构整体的应变变形随着时间增长而减小;翼缘宽度的增大对型钢高强混凝土柱的约束范围加大,翼缘宽度向各自两边的延伸部分将周围混凝土紧紧的包围,减小了混凝土因为外力作用而出现的裂缝的延伸速度,加大了对外力的抵抗作用,混凝土的性能被充分发挥。因此,翼缘宽度比的增大使得SRC组合结构的刚度增大,抗震性能提升。
表2 地震动作用下结构的位移峰值
表3 地震动作用下结构的加速度峰值
本文通过有限元软件建立考虑粘结滑移的型钢混凝土组合结构。采用一榀框架作为算例,通过对结构输入水平向地震动作用,模拟结构在罕遇地震作用下的响应。结果表明:结构内部型钢参数的微小变化可对结构产生较大的影响,但由于型钢的存在,能够在某种程度上提高混凝土的抗压抗拉强度,两者共同工作可提高结构整体的刚度与延性。
[1]国君,王琨.型钢混凝土组合梁柱框架抗震性能数值模拟[J].四川建筑科学研究,2013,39(4):186~189.
[2]封 南.钢筋混凝土结构有限元分析的建模[J].山西建筑,2010(20):63~65.
[3]徐亚丰,张 丽,E.SysoevO,etal.碳纤维钢骨-钢管混凝土柱非线性有限元分析[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版),2012,28(1):51~59.
[4]王继武.型钢混凝土框架梁柱节点受力性能有限元分析[D].重庆交通大学,2009.
[5]李建清.型钢混凝土柱受力性能有限元分析[D].武汉大学,2005.
[6]赵鸿铁.钢与混凝土组合结构[M].北京:科学出版社,2001.