钢管混凝土异形柱框架结构抗震性能分析

王述超（信阳师范学院，河南 信阳 464000）

因为钢管混凝土异形柱框架结构是多个部分焊接、连接形成，在应用过程中，受到外力作用后，其力学变化情况较为复杂[5]；并且异形柱界面具有不规则的特殊性，用于建筑框架后的抗震性能尤为关键；该性能决定该类框架结构施工后，能否保证建筑在地震条件下的安全性[6]。本文主要针对钢管混凝土异形柱框架结构抗震性能展开相关分析，为该类框架结构的应用提供相关依据。

1 钢管混凝土异形柱框架结构抗震性能

1.1 钢管混凝土异形柱框架结构试件制备

本文为分析钢管混凝土异形柱框架结构的抗震性能，设计3 个钢管混凝土异形柱框架结构试件，该试件形状为H型钢梁框架-人字形中心支撑结构，三个试件分别用S1、S2、S3表示，试件设计参数如表1所示。

表1 设计参数详情

按照表1的设计参数完成试件制备，制备时混凝土等级为C30，制备的框架中两主节点为外肋环板节点，异形柱中钢管的截面边长为78mm，竖向连接板和异形柱高度一致，横向肋板尺寸为78mm×35mm×5mm。三种试件结构立面图相同，如图1所示。

图1 试件结构立面图

制备的3种试件在轴心压力作用下，异型柱截面的受压承载力用Nu表示，其计算公式为：

式中m表示钢管混凝土异形柱中单肢柱的数量；fy和fc分别表示钢管屈服应力和混凝土抗压强度；As和Ac均表示截面面积，前者对应单肢柱钢管，后者对应混凝土。

制备的3 种试件中钢材料的相关物理性能参数如表2所示，该物理参数是以《金属材料拉伸试验》相关标准进行试验后得出。

制备完成的3种试件均位于相同条件下养护，养护时间为28d，到达养护时间后，取出置于正常室温环境中备用。

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1.2 加载装置和加载方案

为衡量试件在荷载下的承载能力，文中采用加载装置进行试件加载试验，该加载装置结构如图2所示。

图2 加载装置结构

该装置在进行试件加载试验时，利用千斤顶向试件施加恒定的竖向载荷；通过千斤顶上方的滑动支座，保证试件测试时框架和加载梁之间自由移动。在试件顶部施加拉压千斤顶，以此提供侧向水平循环作用力。

试验时为掌握试件在载荷作用下整体变形、各个节点位置的应力变化情况，在试件顶部安装位移传感器，采集框架结构的侧向变形结果；在梁柱节点区、混凝土构件表面安装应变传感器采集静态应变结果；并利用裂缝宽度测量仪测定混凝土开裂情况。

加载装置在进行试件试验加载时，以《建筑抗震试验方法规程》（JGJ 101-96）为标准设定循环加载方案，如图3所示。

图3 水平荷载加载制度

在正式加载前，先对加载装置进行两次循环荷载施加，检查装置的使用情况，确定装置能正常使用后，进行试件的预加载。在该过程中，试件顶部轴力设为50%No，其中，No表示试验过程中试件柱顶施加的轴力。在试件发生屈服前水平加载采用力控制，并实行荷载等级划分，共设为5 个等级，分别为0.2Foy、0.4Foy、0.6Foy、0.8Foy以及1.0Foy，通过五个等级的施加，直到屈服荷载；试验过程中每个等级的荷载循环两次，每次循环施加至峰值后，维持3min，当位移传感器和应力传感器完成数据采集后，进行荷载卸载。在整个加载过程中，持续荷载下降至峰值荷载的85%时，停止测试，标志试件发生破坏。

1.3 性能计算

本文为精准分析钢管混凝土异形柱框架结构的抗震性能，采用延性μ、强度退化λj、刚度退化ξj、承载力退化φj4 个指标进行衡量，上述指标能够描述试件破坏前，承受的最大后期变形能力、损伤造成的强度下降、刚度情况以及承载能力等，上述指标均是描述框架结构抗震性能的重要指标。

式中Δu和Δy均表示位移，前者为极限状态，后者为屈服状态下；j表示荷载等级，在该级别下，第一次和最后一次循环时的最大荷载分别为Fj1和Fjn；在该级别下的第i次循环时，侧向水平荷载和水平位移两种峰值分别用Pji和Uji表示；在该等级下第一次和第二次加载循环的峰值荷载分别用Pj,1和Pj,2表示。

在分析钢管混凝土异性柱框架结构的抗震性能时，仅依靠上述4 个指标完成，则分析结果存在一定局限性，无法全面掌握该框架结构的全面抗震能力，还需计算框架结构的循环能耗ψ。

ψ 是荷载-位移曲线的包围面积，其能够描述试件在循环水平荷载下消耗的能量，滞回曲线的饱满程度越佳，表示试件能耗性能越佳，在地震作用下的破坏概率越低，荷载-位移曲线的包围面积如图4所示。

图4 荷载-位移曲线的包围面积示意图

ψ的计算公式为：

式中SΔABC、SΔCDA、SΔOBE、SΔODF分别表示不同曲线形成的包围面积。

1.4 有限元模型分析

为分析钢管混凝土异性柱框架结构在荷载下的应力变形情况，本文采用ABAQUS 有限元软件构建该结构的有限元模型，模型的各个构件采用C3D8R 单元进行三维实体构建；试件中的混凝土通过该软件的塑性损伤模型构建；钢结构则采用弹性单元构建。对钢管和混凝土设定法向和切向约束；框架结构置于加载基础梁上，同时在梁的底部施加完全固结约束。并依据耦合约束设定参考点，实现各个垫板表面的约束，以此施加竖向、水平两种荷载和位移。

为保证钢管混凝土异性柱框架结构模型的构建效果，采用映射网格划分法进行网格划分，设定的网格尺寸大小为75/4mm，框架结构模型网格划分结果如图5所示。

2 试验结果分析

2.1 延性系数和循环能耗结果分析

获取3 个试件在相同荷载下的位移延性结果和循环能耗结果，如表3所示。

表3 3个试件的位移延性结果

依据表3 分析结果可知：3 个试件在相同荷载下，试件的屈服位移和极限位移结果均逐渐增加；循环能耗结果也呈现逐渐上升趋势。这是由于3 个试件的轴压比存在差异，轴压比越大，试件的延性位移和循环能耗结果越大，即试件的延性性能、能耗越佳，则框架结构的抗震性能越佳。

2.2 强度、刚度和承载力的退化结果分析

获取3 个试件在不同位移结果下，强度、刚度和承载力的退化结果，如表4所示。

表4 强度、刚度和承载力的退化结果

依据表4分析结果可知：三个试件在位移幅值加载时，强度、刚度和承载力的退化结果随着循环次数的变化而变化，三者的强度退化结果和承载力退化结果均在0.9 以上，满足相关应用标准，即三者的退化情况不显著，结构性能均较好；证明轴压比越大，框架结构的结构性能越佳，抗震性能越好。但是对三个试件的结果对比后，S3的结果相对略高于另外两个试样的结果，因此，其性能最佳；但是对比三个试样的刚度退化结果后，试样3的刚度退化结果值略高于另外两个试样的结果，因此，轴压比越大，刚度退化结果越小。结合三者的整体分析结果可确定S3的综合性能最佳。

2.3 有限元分析结果

分析3 个试件在持续荷载下降至峰值荷载的85%时，框架结构整体的应力情况，由于篇幅限制，结果仅随机呈现S3的分析结果，如图6所示。

图6 有限元分析结果

依据图6分析结果可知：试件在持续荷载下降至峰值荷载的85%的条件下，钢梁梁段翼缘位置发生一定屈服，但是异形柱没有发生明显破坏。证明钢管混凝土异形柱框架结构的抗震性能较好，能够满足抗震需求。

3 结语

钢管混凝土异形柱框架结构在建筑中的应用较好，但其抗震性能直接影响建筑框架结构的安全性。因此，本文对钢管混凝土异形柱框架结构的抗震性能展开分析，研究不同轴压比对于结构抗震性能的影响，分析不同位移加载下结构抗震性能，为相关工程提供参考。