新型型钢混凝土柱抗震性能

栗 莎, 贾小盼

(河北工程技术学院 土木工程学院, 河北 石家庄 050091)

近年来,高层、超高层、大跨度结构不断发展,为减小震害,这类结构的抗震设计是必须要重视的问题.与传统钢筋混凝土结构或钢结构相比,型钢混凝土结构具有较强的性能优势[1],发展前景广阔.作为型钢混凝土结构中的主要受力构件,型钢混凝土柱对整个结构抗震性能的发挥起着重要作用,因此,对型钢混凝土柱的研究一直是一项重要工作.目前,实际工程中主要采用普通工字型钢或H型钢SRC柱,但是有研究证实[2-3],此类传统SRC柱在高轴压比作用下的抗震性能仍显不足,尤其是SRC短柱和超短柱,水平地震作用时很容易发生黏结滑移破坏.针对这一情况,国内外学者曾提出不同措施提高SRC柱在高轴压比下的抗震性能[4],但由于可操作性差,均未在实际工程中得到应用.为提高SRC柱抗震性能,西安建筑科技大学学者对扩大十字型钢SRC柱和对角布置十字型钢SRC柱2种新型截面型钢混凝土柱进行了研究[5-6],但是有关其抗震性能的研究还不够深入和全面, 在实际应用之前有必要对其进行进一步的研究.

本文以文献[5]的试验数据为基础, 运用有限元软件ABAQUS建立SRC柱模型, 对SRC柱进行数值模拟计算, 将计算结果与文献[5]的试验结果进行对比, 验证模型在模拟SRC柱抗震性能方面的适用性与正确性. 在验证通过的基础上, 运用本文所建ABAQUS模型, 进一步研究型钢截面形式、腹板厚度、轴压比、配钢率和加载角度对新型SRC柱抗震性能的影响, 为工程应用提供参考.

1 SRC柱有限元分析试验验证

1.1 试验概况

试验提出2种新型SRC柱,一种是扩大十字型钢SRC柱,编号SRC2,型钢尺寸为210×100×6×8;一种是对角布置十字型钢SRC柱,编号SRC3～SRC5,型钢尺寸为238×60×6×8.SRC1为普通SRC柱,型钢尺寸为130×60×6×8,各试件截面尺寸如图1所示.纵筋均为4Ф14,箍筋均为Ф 6@50.SRC1～SRC5试验轴压比n分别为0.30、0.42、0.30、0.42、0.60,剪跨比均为4,实测混凝土平均轴心抗压强度标准值为51.5 N·mm-2.

型钢采用Q235钢,屈服强度和极限强度分别为248.3、348.6 MPa;纵筋采用HRB335,屈服强度和极限强度分别为355.5、514.0 MPa;箍筋型号为HPB235,屈服强度和极限强度分别为257.8、332.6 MPa.加载方式为低周反复加载.

1.2 材料模型选取

1) 本构模型. 混凝土采用塑性损伤模型,在计算受压和受拉损伤变量时,采用Birtel和Mark提出的模型[7]; 混凝土应力- 应变关系采用混凝土结构设计规范[8]中的混凝土单轴应力- 应变关系.

(a) SRC1柱截面(b) SRC2柱截面(c) SRC3～SRC5柱截面图1 试件截面尺寸及配筋Fig.1 Specimens section size and reinforcement

钢筋与型钢采用有限元软件ABAQUS中的kinematic随动强化模型;应力-应变关系采用多线性强化力学模型.

2) 单元类型及网格划分[9].混凝土和型钢均选用ABAQUS中的8节点六面体线性减缩积分单元(C3D8R),钢筋选用ABAQUS中的桁架单元T3D2.网格划分密度取50 mm,既能保证计算精度,又能保证收敛速度.

1.3 模型适用性验证

本文用于验证模型适用性的5个试件模型的设计参数与文献[5]中的试件SRC1～SRC5一一对应.分别给出了5种试件滞回曲线与骨架曲线的试验值与ABAQUS模拟值的对比情况.通过对比可以发现本文建立的ABAQUS模型能够较为真实地反映SRC柱的抗震性能.

1) 滞回曲线.用ABAQUS对试件SRC1～SRC5进行数值模拟计算, 将计算得到的力-位移(P-Δ)滞回曲线与试验滞回曲线进行对比, 如图2所示, ABAQUS计算所得滞回曲线的峰值载荷较试验结果略大, 考虑是由于ABAQUS分析时试件的材料性质、边界约束等条件均为理想化所致. 总的来说, ABAQUS模拟结果与文献[5]试验结果的吻合情况很好, 说明按上述方法建立的ABAQUS模型能够较为真实地反映SRC柱的滞回耗能性能.

(a) n=0.30时,试件SRC1试验值(b) n=0.30时,试件SRC1模拟值(c) n=0.42时,试件SRC2试验值(d) n=0.42时,试件SRC2模拟值(e) n=0.30时,试件SRC3试验值(f) n=0.30时,试件SRC3模拟值(g) n=0.42时,试件SRC4试验值(h) n=0.42时,试件SRC4模拟值

2) 骨架曲线.将ABAQUS计算所得骨架曲线与试验结果进行对比,如图3所示,由图3可知,ABAQUS计算所得骨架曲线与试验骨架曲线基本重合,说明本文所建有限元模型可以较好地反映SRC柱的真实刚度与延性.

(a) 试件SRC1(b) 试件SRC2

2 新型SRC柱抗震性能影响因素分析

为了更全面并深入地了解2种新型SRC柱的抗震性能,运用ABAQUS分别研究配钢形式、腹板厚度、轴压比、加载方向、配钢率对普通SRC柱以及2种新型SRC柱的抗震性能的影响.

1) 配钢形式的影响.图4为不同配钢形式SRC柱的极限承载力与延性对比,由图4可知,轴压比较小时,扩大十字型钢SRC柱(SRC2)的承载能力与延性最为优越,随着轴压比的增大,对角布置型钢SRC柱(SCR3)表现出更好的承载能力与延性;无论是何种轴向压力作用下,2种新型SRC柱抗震性能均远远优于普通SRC柱(SCR1).由上述分析可知,型钢对角布置这种形式可使型钢的作用得到更充分的发挥,在很大程度上改善了SRC柱的抗震性能.

(a) 极限承载力对比(b) 延性对比

2) 腹板厚度的影响.图5、图6为3种SRC柱腹板厚度tw分别为6、9和12 mm时的骨架曲线、极限承载力、位移延性系数对比.由图5、图6可知,2种新型SRC柱抗震性能明显优于普通SRC柱.普通型钢混凝土柱抗震性能受腹板厚度影响最小,对角布置十字型钢SRC柱的抗震性能受腹板厚度影响最大,随腹板厚度增加,极限承载力、延性、耗能能力均有明显提升,且延性始终是三者中最优越的.

(a) 试件SRC1(b) 试件SRC2(c) 试件SRC3

(a) 极限承载力对比(b) 延性对比

3) 轴压比的影响.图7、图8为3种SRC柱在n为0.2、0.4、0.6、0.8时的骨架曲线、极限承载力、位移延性系数对比,由图7、图8可知:轴压比由0.2升到0.6过程中,3种SRC柱的极限承载力均随轴压比的增大而提高;当轴压比达到0.8时,轴压力对柱极限承载力产生不利影响,3种SRC柱的极限承载力均有所降低;延性均随轴压比的增大而降低,普通SRC柱延性最差,扩大十字型钢SRC柱在低轴压比下延性最好,对角布置型钢SRC柱在高轴压比下表现出最好的延性.

(a) 试件SRC1(b) 试件SRC2(c) 试件SRC3

(a) 极限承载力(b) 位移延性系数

4) 加载方向的影响. 由于地震发生时水平地震作用的方向是任意的, 因此有必要研究斜向水平载荷作用下SRC柱的抗震性能,达到全方位了解SRC柱抗震性能的目的.图9、图10分别为SRC1、 SRC2、SRC3三种SRC柱在与X轴正向夹角为0°、30°、45°时的水平往复载荷作用下的骨架曲线、极限承载力、位移延性系数,由图可知:在加载角度由0°增加到45°的过程中,3种SRC柱极限承载力均随加载角度的增大而降低,其中对角布置型钢SRC柱降低幅度最大;普通SRC柱与扩大十字型钢SRC柱延性随加载角度增大而提高,对角布置型钢SRC柱延性随加载角度增大反而降低.总而言之,不同加载角度下扩大十字型钢SRC柱表现出最为优越的抗震性能,对角布置型钢SRC柱的抗震性能受加载角度影响最大,但无论加载角度为多少,其抗震性能仍优于普通SRC柱.

(a) 试件SRC1(b) 试件SRC2(c) 试件SRC3

(a) 极限承载力(b) 位移延性系数

5) 配钢率对对角布置十字型钢SRC柱的影响.针对对角布置十字型钢SRC柱,在SRC3的基础上,运用ABAQUS建立不同配钢率的模拟试件SRC3-2、SRC3-3,研究不同配钢率对对角布置十字型钢SRC柱抗震性能的影响,如图11所示,试件SRC3-2、SRC3-3的型钢截面尺寸分别为197×100×6×8、157×140×6×8.三种对角布置十字型钢SRC柱的型钢含钢率分别为7.32%、8.54%、9.82%.

(a) 试件SRC3-1(b) 试件SRC3-2(c) 试件SRC3-3

3种配钢率的对角布置十字型钢SRC柱极限承载力与位移延性系数如图12所示,由图12可知,三者均具有良好的抗震性能.相比较而言,试件SRC3-2在高轴压力作用下表现出最优越的承载能力,但随着轴压比的增大,延性及滞回耗能能力下降较快;试件SRC3-3在高轴压比下表现出最优越的延性及耗能能力,这是由于其核心混凝土被4个型钢翼缘完全包围,三向受压使得抗压强度得以提高,延性也得到改善,从而提高了柱子的延性和耗能能力.总的来说,试件SRC3-1的抗震性能稍逊于其他2个试件,试件SRC3-3的抗震性能最稳定.

(a) 极限承载力(b) 位移延性系数

3 结 论

1) 对角布置十字型钢这一形式可充分发挥型钢的作用,在很大程度上改善了SRC柱的抗震性能,抗震性能优于扩大十字型钢SRC柱,但其抗震性能受腹板厚度和加载角度影响较大.

2) 扩大十字型钢SRC柱抗震性能明显优于普通SRC柱,且无论加载角度如何变化,均表现出优越的抗震性能.

3) 普通SRC柱延性性能最差,扩大十字型钢SRC柱在低轴压比下延性最好,对角布置型钢SRC柱在高轴压比下表现出最好的延性.