圓鋼管混凝土支撐滯回性能分析

張文福,郝進(jìn)鋒,薛景宏,于 洋,李曉麗

(東北石油大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,黑龍江大慶 163318)

圓鋼管混凝土支撐滯回性能分析

張文福,郝進(jìn)鋒,薛景宏,于 洋,李曉麗

(東北石油大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,黑龍江大慶 163318)

為獲得鋼管混凝土支撐的抗震性能,對14根圓鋼管混凝土支撐試件開展滯回性能數(shù)值仿真,主要參數(shù)包括混凝土強(qiáng)度、鋼材屈服強(qiáng)度、長細(xì)比和含鋼率等;通過獲得的試件軸力-位移滯回曲線,得到試件的骨架曲線,分析混凝土抗主要參數(shù)對荷載-位移骨架曲線的影響;基于滯回曲線,對試件的位移延性、耗能能力和單位體積耗能進(jìn)行探討.結(jié)果表明:隨混凝土強(qiáng)度、鋼材屈服強(qiáng)度和長細(xì)比的增加,位移延性、耗能能力和單位體積耗能能力逐漸減小;隨著含鋼率的增加,構(gòu)件的位移延性、耗能能力減小,單位體積耗能能力逐漸增加.

鋼管混凝土;支撐;抗震性能;滯回曲線;耗能比

鋼管混凝土框-撐體系中的豎向支撐是主要抗側(cè)力構(gòu)件.在地震區(qū),高層建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下將進(jìn)入彈塑性變形階段,豎向支撐的非彈性變形階段的力學(xué)特性關(guān)系到高層建筑地震反應(yīng)的峰值、地震內(nèi)力在構(gòu)件之間的分配,以及結(jié)構(gòu)樓層水平抗力的計算.將圓形鋼管和素混凝土構(gòu)成的鋼管混凝土構(gòu)件作為支撐,可以充分發(fā)揮鋼材和混凝土材料的優(yōu)點,使鋼管混凝土支撐具有單一材料所無法擁有的優(yōu)越性能[1-5].目前,人們開展方鋼管混凝土框架柱在水平地震作用下抗震性能的試驗研究,通過試驗及數(shù)值模擬分析方鋼管混凝土框架柱在水平地震作用下的承載能力、滯回性能、延性與變形能力等力學(xué)性能,以及方鋼管混凝土柱的抗震性能[6-14].韓林海等[15]為研究鋼管混凝土框架抗震性能,進(jìn)行鋼管混凝土柱-鋼梁平面框架往復(fù)加載時荷載-位移滯回關(guān)系的數(shù)值仿真,建模中考慮材料和幾何非線性,結(jié)果表明在鋼材強(qiáng)度為35～420 M Pa、混凝土強(qiáng)度為30～90 M Pa時,理論計算結(jié)果和試驗結(jié)果吻合較好.蔡健[16]開展鋼管混凝土柱-梁新型節(jié)點反復(fù)荷載后的軸壓試驗,從極限承載力、裂縫形態(tài)、試件的荷載-軸向位移曲線等方面進(jìn)行研究,并與進(jìn)行軸壓試驗的試件進(jìn)行對比,結(jié)果表明該新型節(jié)點的環(huán)梁在反復(fù)荷載下雖然產(chǎn)生一定的損傷,但對節(jié)點區(qū)的軸壓極限承載力的影響并不大,環(huán)梁仍能發(fā)揮對節(jié)點核心區(qū)的約束和加強(qiáng)作用,使節(jié)點區(qū)承載力大于鋼管混凝土柱的承載力.到目前為止,對變軸力作用下圓鋼管混凝土支撐構(gòu)件的滯回性能研究尚未見報道,為明確這種圓鋼管混凝土組合構(gòu)件的抗震性能與設(shè)計方法,筆者對14根圓鋼管混凝土支撐構(gòu)件進(jìn)行滯回性能的數(shù)值分析,為圓鋼管混凝土支撐在抗震地區(qū)的應(yīng)用提供參考依據(jù).

1 支撐構(gòu)件設(shè)計

設(shè)計14根圓鋼管混凝土支撐構(gòu)件,主要參數(shù)包括混凝土強(qiáng)度等級、鋼材屈服強(qiáng)度等級、構(gòu)件的長細(xì)比和截面的含鋼率,主要參數(shù)見表1.

2 控制參數(shù)對荷載-位移骨架曲線的影響

2.1 滯回曲線

采用擬靜力試驗方法對圓鋼管混凝土支撐滯回性能進(jìn)行數(shù)值分析[12].加載方式為反復(fù)施加變軸力,采用纖維模型法編制相應(yīng)程序,材料的本構(gòu)關(guān)系采用文獻(xiàn)[17-20]給出的本構(gòu)關(guān)系模型,通過內(nèi)力建立平衡方程,從而求得每一個位移對應(yīng)的軸力,考慮在變軸力作用下14根圓鋼管混凝土軸向力-位移滯回曲線.

表1 試件主要參數(shù)

2.2 骨架曲線

骨架曲線是荷載-位移曲線中每個滯回環(huán)峰點的連接軌跡[12],與單調(diào)加載條件下的曲線相差不大.在任意的時刻,曲線峰值點只能在骨架曲線內(nèi)或沿骨架曲線行走.

2.2.1 混凝土強(qiáng)度等級

混凝土強(qiáng)度等級為C30、C40、C50和C60的試件的滯回曲線見圖1.從滯回曲線上得到的不同混凝土強(qiáng)度等級的鋼管混凝土支撐構(gòu)件受壓骨架曲線見圖2.由圖2可知,隨著混凝土強(qiáng)度等級的提高,鋼管混凝土組合支撐構(gòu)件的受壓承載力略有增大.等級較高的C60混凝土構(gòu)件比等級較低的C30混凝土構(gòu)件的受壓承載力提高19.6%.隨著混凝土強(qiáng)度等級的提高,鋼管混凝土組合支撐構(gòu)件的下降段剛度有所降低,即延性減小.混凝土強(qiáng)度等級對骨架曲線受壓上升階段的剛度幾乎沒有影響.

圖1 不同混凝土強(qiáng)度等級的試件滯回曲線(直徑×壁厚×長度:180 mm×5 mm×4 500 mm)

圖2 混凝土強(qiáng)度等級對骨架曲線的影響(直徑×壁厚×長度:180 mm×5 mm×4 500 mm)

2.2.2 鋼材屈服強(qiáng)度

鋼材屈服強(qiáng)度等級為Q235、Q 345和Q 390的試件的滯回曲線見圖3.從滯回曲線上得到的不同鋼材屈服強(qiáng)度的鋼管混凝土支撐構(gòu)件受壓骨架曲線見圖4.由圖4可知,隨著鋼材屈服強(qiáng)度的提高,鋼管混凝土組合支撐構(gòu)件的受壓承載力增大,Q 390鋼的鋼管混凝土構(gòu)件比Q235鋼的受壓承載力提高66.7%,Q345鋼的鋼管混凝土構(gòu)件比Q390鋼的承載力相差不大;鋼管混凝土組合支撐構(gòu)件下降段的剛度變化趨勢不明顯.

圖3 不同鋼材強(qiáng)度的試件滯回曲線(直徑×壁厚×長度:200 mm×6 mm×3 000 mm)

2.2.3 長細(xì)比

長細(xì)比為54.8,109.6,164.4,對應(yīng)的構(gòu)件長度L分別為3 000,6 000,9 000 mm的試件的滯回曲線見圖5.從滯回曲線上得到的不同長細(xì)比的鋼管混凝土支撐構(gòu)件受壓骨架曲線見圖6.由圖6可知,隨著構(gòu)件長細(xì)比的提高,鋼管混凝土支撐構(gòu)件的受壓極限承載力明顯下降,長細(xì)比為164.4的構(gòu)件比長細(xì)比為54.8的構(gòu)件受壓極限承載力提高305.4%,說明長細(xì)比對構(gòu)件受壓極限承載力的影響很大,在工程設(shè)計中應(yīng)給予重視;鋼管混凝土支撐的下降段剛度越大,延性增加.

2.2.4 含鋼率(寬度比)

構(gòu)件的直徑D與鋼管壁厚t的比即為構(gòu)件的寬厚比.寬厚比η反映構(gòu)件截面的含鋼率(As/Ac),寬厚比越大含鋼率越小,即寬厚比與含鋼率成反比[8-10].寬厚比影響鋼管混凝土支撐構(gòu)件的極限承載力和延性.寬厚比(含鋼率)為 74.75(0.05)、59.80(0.07)、42.71(0.09)和 33.22(0.12),對應(yīng)的鋼管壁厚分別為4,5,7,9 mm的試件的滯回曲線見圖7.從滯回曲線上得到的不同寬厚比的鋼管混凝土支撐構(gòu)件受壓骨架曲線見圖8.由圖8可知,隨著構(gòu)件含鋼率的提高,鋼管混凝土支撐構(gòu)件的受壓承載力明顯提高,含鋼率為0.12的構(gòu)件比含鋼率為0.05的受壓極限承載力提高45.3%;鋼管混凝土支撐構(gòu)件的下降段剛度有所提高,延性增大;骨架曲線上受壓上升階段的剛度略有提高,但提高幅度不明顯.

3 滯回曲線應(yīng)用

滯回曲線的形態(tài)包括梭形、弓形、反S形和Z形.梭形和弓形的滯回曲線較飽滿,所包圍的面積比反S形和Z形要大,因此梭形和弓形的滯回曲線耗能也大.

3.1 位移延性

位移延性是構(gòu)件塑性變形的能力,作為評價構(gòu)件抗震能力的重要指標(biāo)通常用延性因數(shù)[12]μ表示:

圖4 鋼材屈服強(qiáng)度對骨架曲線的影響(直徑×壁厚×長度:200 mm×6 mm×3 000 mm)

圖5 不同長細(xì)比的試件滯回曲線(直徑×壁厚×長度:200 mm×6 mm×9 000 mm)

式中:Xu為骨架曲線上相應(yīng)于最大水平荷載下降為85%時對應(yīng)的位移;Xy為骨架曲線上屈服點對應(yīng)的位移,這里取最大水平荷載的75%時對應(yīng)的位移.14根構(gòu)件的延性因數(shù)計算結(jié)果見表2.由表2可以看出,延性因數(shù)μ隨混凝土強(qiáng)度等級、鋼材屈服強(qiáng)度、長細(xì)比和含鋼率增大而減小.

3.2 耗能性能

構(gòu)件的耗能性能是指在反復(fù)荷載作用下構(gòu)件吸收能量的性能.通常用耗能比[12]衡量構(gòu)件在某一階段的耗能,一個完整的滯回環(huán)見圖9,耗能比ψ為其中空白部分的面積(S1)與全部面積(S1+S2)之比:

式中:S1為構(gòu)件在循環(huán)一周所吸收的能量;S2為構(gòu)件卸載過程中所釋放的能量;S1+S2為水平荷載所做的全部功.

在14根構(gòu)件中,對于同類構(gòu)件取位移相同點的滯回環(huán)的耗能比評價構(gòu)件的耗能能力,即ψ越大耗能越好.各構(gòu)件的耗能比計算結(jié)果見表2.由表2可知,隨含鋼率的增大,構(gòu)件耗能比增加;隨著混凝土強(qiáng)度等級、鋼材屈服強(qiáng)度及長細(xì)比的增加,構(gòu)件耗能比減小.

圖6 長細(xì)比對構(gòu)件骨架曲線的影響(直徑×壁厚:200 mm×6 mm)

3.3 單位體積耗能能力

傳統(tǒng)的延性系數(shù)及耗能比不能全面反映滯回曲線中構(gòu)件抗震性能,為更好的衡量構(gòu)件在動力荷載下的抗震性能,采用構(gòu)件的單位體積耗能比μw[12-13]作為評價指標(biāo):

式中:W為滯回環(huán)上最大位移時構(gòu)件的總吸收能量;V為構(gòu)件的自身體積.

圖7 不同寬厚比的試件滯回曲線(直徑×壁厚×長度:299 mm×9 mm×3 000 mm)

圖8 寬厚比對構(gòu)件骨架曲線的影響

圖9 p-Δ滯回環(huán)

表2 構(gòu)件延性系數(shù)、耗能比與單位體積耗能比計算結(jié)果

14根試件的單位體積耗能比見表2,其中μ1為左側(cè)的位移延性因數(shù),μ2為右側(cè)的位移延性因數(shù),ˉμ為平均位移延性因數(shù).由表2可知,各試件雖然耗能比ψ相差不大,但μw的區(qū)分較明顯,說明μw作為評價鋼管混凝土構(gòu)件的抗震指標(biāo)客觀、合理.

4 結(jié)論

(1)對14根圓鋼管混凝土支撐試件進(jìn)行滯回性能數(shù)值仿真,主要參數(shù)包括混凝土強(qiáng)度(C30、C40、C50和C60)、圓鋼管鋼材屈服強(qiáng)度(Q235、Q345和Q390)、構(gòu)件長細(xì)比(54.8、109.6和164.4)和構(gòu)件寬厚比(74.75、59.80、42.71 和 33.22).

(2)獲得主要參數(shù)對荷載-位移骨架曲線的影響,隨著混凝土強(qiáng)度等級的提高,鋼管混凝土組合支撐構(gòu)件受壓承載力增大,下降段剛度降低,延性減小.混凝土強(qiáng)度等級對骨架曲線受壓上升階段的剛度幾乎沒有影響;隨著鋼材屈服強(qiáng)度的提高,鋼管混凝土組合支撐構(gòu)件的受壓承載力增大,鋼管混凝土組合支撐構(gòu)件下降段的剛度變化趨勢不明顯;隨著構(gòu)件長細(xì)比的提高,鋼管混凝土支撐構(gòu)件的受壓極限承載力明顯下降,下降段剛度變大,延性增加;隨著構(gòu)件含鋼率的提高,鋼管混凝土支撐構(gòu)件的受壓承載力明顯提高,鋼管混凝土支撐構(gòu)件的下降段剛度有所提高,延性增大.

(3)基于14根構(gòu)件的滯回曲線,分析構(gòu)件的位移延性、耗能性能和單位體積耗能.結(jié)果表明:當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級由C30增大到C60時,構(gòu)件延性因數(shù)由1.78降為1.19;當(dāng)鋼材屈服強(qiáng)度由Q235增大到Q390時,構(gòu)件延性因數(shù)由2.78降為1.86;當(dāng)長細(xì)比由54.8增大到164.4時,構(gòu)件延性因數(shù)由2.78降為2.00;當(dāng)含鋼率由0.05增大到0.12時,構(gòu)件延性因數(shù)由3.19降為2.95;同理,構(gòu)件的單位體積耗能能力也隨著主要參數(shù)的增加而減小.

(4)隨混凝土強(qiáng)度、鋼材屈服強(qiáng)度和長細(xì)比的增加,構(gòu)件單位體積耗能能力逐漸減小,而隨著含鋼率的增加,構(gòu)件的單位體積耗能能力逐漸增加.

(5)通過對比可知,構(gòu)件單位體積耗能的區(qū)分較耗能比更明顯,可見,構(gòu)件單位體積耗能比作為評價鋼管混凝土構(gòu)件的抗震指標(biāo)既客觀又合理.

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Constitutivemodel of concrete filled circular steel tube bracemembers under cyclic load/2010,34(3):104-108

ZHANGWen-fu1,HAO Jin-feng1,XUE Jing-hong1,ZHANGDan1,CHE Tai-jie2
(1.Civil Engineering College,N ortheast Petroleum University,Daqing,Heilongjiang 163318,China;2.Technique Training Center of Daqing Oilf ield,Daqing,Heilongjiang 163255,China)

In order to establish the restoring force model of steel concrete brace in concrete filled steel tube frame-support system,this paper studied materials constitutive relationship model under cyclic load,given the steel constitutive model and the confined and non-confined concrete skeleton curve,and established the loading and unloading hysteretic rules for concrete.These p rovide references for carrying out study on restoring force characteristicsof concrete filled steel tube brace system in the large deformation under low cyclic load.

concrete filled steel tube;brace;constitutive model

TU 375

A

1000-1891(2010)03-0109-06

2010-03-10;審稿人:張云峰;編輯:任志平

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目(10541006);黑龍江省自然科學(xué)基金項目(E2008011)

張文福(1965-),男,博士,教授,主要從事結(jié)構(gòu)抗震與抗風(fēng)方面的研究.