新型型鋼混凝土柱抗震性能

栗 莎, 賈小盼

(河北工程技術(shù)學院 土木工程學院, 河北 石家莊 050091)

近年來,高層、超高層、大跨度結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展,為減小震害,這類結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計是必須要重視的問題.與傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)相比,型鋼混凝土結(jié)構(gòu)具有較強的性能優(yōu)勢[1],發(fā)展前景廣闊.作為型鋼混凝土結(jié)構(gòu)中的主要受力構(gòu)件,型鋼混凝土柱對整個結(jié)構(gòu)抗震性能的發(fā)揮起著重要作用,因此,對型鋼混凝土柱的研究一直是一項重要工作.目前,實際工程中主要采用普通工字型鋼或H型鋼SRC柱,但是有研究證實[2-3],此類傳統(tǒng)SRC柱在高軸壓比作用下的抗震性能仍顯不足,尤其是SRC短柱和超短柱,水平地震作用時很容易發(fā)生黏結(jié)滑移破壞.針對這一情況,國內(nèi)外學者曾提出不同措施提高SRC柱在高軸壓比下的抗震性能[4],但由于可操作性差,均未在實際工程中得到應用.為提高SRC柱抗震性能,西安建筑科技大學學者對擴大十字型鋼SRC柱和對角布置十字型鋼SRC柱2種新型截面型鋼混凝土柱進行了研究[5-6],但是有關(guān)其抗震性能的研究還不夠深入和全面, 在實際應用之前有必要對其進行進一步的研究.

本文以文獻[5]的試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ), 運用有限元軟件ABAQUS建立SRC柱模型, 對SRC柱進行數(shù)值模擬計算, 將計算結(jié)果與文獻[5]的試驗結(jié)果進行對比, 驗證模型在模擬SRC柱抗震性能方面的適用性與正確性. 在驗證通過的基礎(chǔ)上, 運用本文所建ABAQUS模型, 進一步研究型鋼截面形式、腹板厚度、軸壓比、配鋼率和加載角度對新型SRC柱抗震性能的影響, 為工程應用提供參考.

1 SRC柱有限元分析試驗驗證

1.1 試驗概況

試驗提出2種新型SRC柱,一種是擴大十字型鋼SRC柱,編號SRC2,型鋼尺寸為210×100×6×8;一種是對角布置十字型鋼SRC柱,編號SRC3～SRC5,型鋼尺寸為238×60×6×8.SRC1為普通SRC柱,型鋼尺寸為130×60×6×8,各試件截面尺寸如圖1所示.縱筋均為4Ф14,箍筋均為Ф 6@50.SRC1～SRC5試驗軸壓比n分別為0.30、0.42、0.30、0.42、0.60,剪跨比均為4,實測混凝土平均軸心抗壓強度標準值為51.5 N·mm-2.

型鋼采用Q235鋼,屈服強度和極限強度分別為248.3、348.6 MPa;縱筋采用HRB335,屈服強度和極限強度分別為355.5、514.0 MPa;箍筋型號為HPB235,屈服強度和極限強度分別為257.8、332.6 MPa.加載方式為低周反復加載.

1.2 材料模型選取

1) 本構(gòu)模型. 混凝土采用塑性損傷模型,在計算受壓和受拉損傷變量時,采用Birtel和Mark提出的模型[7]; 混凝土應力- 應變關(guān)系采用混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[8]中的混凝土單軸應力- 應變關(guān)系.

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

鋼筋與型鋼采用有限元軟件ABAQUS中的kinematic隨動強化模型;應力-應變關(guān)系采用多線性強化力學模型.

2) 單元類型及網(wǎng)格劃分[9].混凝土和型鋼均選用ABAQUS中的8節(jié)點六面體線性減縮積分單元(C3D8R),鋼筋選用ABAQUS中的桁架單元T3D2.網(wǎng)格劃分密度取50 mm,既能保證計算精度,又能保證收斂速度.

1.3 模型適用性驗證

本文用于驗證模型適用性的5個試件模型的設(shè)計參數(shù)與文獻[5]中的試件SRC1～SRC5一一對應.分別給出了5種試件滯回曲線與骨架曲線的試驗值與ABAQUS模擬值的對比情況.通過對比可以發(fā)現(xiàn)本文建立的ABAQUS模型能夠較為真實地反映SRC柱的抗震性能.

1) 滯回曲線.用ABAQUS對試件SRC1～SRC5進行數(shù)值模擬計算, 將計算得到的力-位移(P-Δ)滯回曲線與試驗滯回曲線進行對比, 如圖2所示, ABAQUS計算所得滯回曲線的峰值載荷較試驗結(jié)果略大, 考慮是由于ABAQUS分析時試件的材料性質(zhì)、邊界約束等條件均為理想化所致. 總的來說, ABAQUS模擬結(jié)果與文獻[5]試驗結(jié)果的吻合情況很好, 說明按上述方法建立的ABAQUS模型能夠較為真實地反映SRC柱的滯回耗能性能.

(a) n=0.30時,試件SRC1試驗值(b) n=0.30時,試件SRC1模擬值(c) n=0.42時,試件SRC2試驗值(d) n=0.42時,試件SRC2模擬值(e) n=0.30時,試件SRC3試驗值(f) n=0.30時,試件SRC3模擬值(g) n=0.42時,試件SRC4試驗值(h) n=0.42時,試件SRC4模擬值

2) 骨架曲線.將ABAQUS計算所得骨架曲線與試驗結(jié)果進行對比,如圖3所示,由圖3可知,ABAQUS計算所得骨架曲線與試驗骨架曲線基本重合,說明本文所建有限元模型可以較好地反映SRC柱的真實剛度與延性.

(a) 試件SRC1(b) 試件SRC2

2 新型SRC柱抗震性能影響因素分析

為了更全面并深入地了解2種新型SRC柱的抗震性能,運用ABAQUS分別研究配鋼形式、腹板厚度、軸壓比、加載方向、配鋼率對普通SRC柱以及2種新型SRC柱的抗震性能的影響.

1) 配鋼形式的影響.圖4為不同配鋼形式SRC柱的極限承載力與延性對比,由圖4可知,軸壓比較小時,擴大十字型鋼SRC柱(SRC2)的承載能力與延性最為優(yōu)越,隨著軸壓比的增大,對角布置型鋼SRC柱(SCR3)表現(xiàn)出更好的承載能力與延性;無論是何種軸向壓力作用下,2種新型SRC柱抗震性能均遠遠優(yōu)于普通SRC柱(SCR1).由上述分析可知,型鋼對角布置這種形式可使型鋼的作用得到更充分的發(fā)揮,在很大程度上改善了SRC柱的抗震性能.

(a) 極限承載力對比(b) 延性對比

2) 腹板厚度的影響.圖5、圖6為3種SRC柱腹板厚度tw分別為6、9和12 mm時的骨架曲線、極限承載力、位移延性系數(shù)對比.由圖5、圖6可知,2種新型SRC柱抗震性能明顯優(yōu)于普通SRC柱.普通型鋼混凝土柱抗震性能受腹板厚度影響最小,對角布置十字型鋼SRC柱的抗震性能受腹板厚度影響最大,隨腹板厚度增加,極限承載力、延性、耗能能力均有明顯提升,且延性始終是三者中最優(yōu)越的.

(a) 試件SRC1(b) 試件SRC2(c) 試件SRC3

(a) 極限承載力對比(b) 延性對比

3) 軸壓比的影響.圖7、圖8為3種SRC柱在n為0.2、0.4、0.6、0.8時的骨架曲線、極限承載力、位移延性系數(shù)對比,由圖7、圖8可知:軸壓比由0.2升到0.6過程中,3種SRC柱的極限承載力均隨軸壓比的增大而提高;當軸壓比達到0.8時,軸壓力對柱極限承載力產(chǎn)生不利影響,3種SRC柱的極限承載力均有所降低;延性均隨軸壓比的增大而降低,普通SRC柱延性最差,擴大十字型鋼SRC柱在低軸壓比下延性最好,對角布置型鋼SRC柱在高軸壓比下表現(xiàn)出最好的延性.

(a) 試件SRC1(b) 試件SRC2(c) 試件SRC3

(a) 極限承載力(b) 位移延性系數(shù)

4) 加載方向的影響. 由于地震發(fā)生時水平地震作用的方向是任意的, 因此有必要研究斜向水平載荷作用下SRC柱的抗震性能,達到全方位了解SRC柱抗震性能的目的.圖9、圖10分別為SRC1、 SRC2、SRC3三種SRC柱在與X軸正向夾角為0°、30°、45°時的水平往復載荷作用下的骨架曲線、極限承載力、位移延性系數(shù),由圖可知:在加載角度由0°增加到45°的過程中,3種SRC柱極限承載力均隨加載角度的增大而降低,其中對角布置型鋼SRC柱降低幅度最大;普通SRC柱與擴大十字型鋼SRC柱延性隨加載角度增大而提高,對角布置型鋼SRC柱延性隨加載角度增大反而降低.總而言之,不同加載角度下擴大十字型鋼SRC柱表現(xiàn)出最為優(yōu)越的抗震性能,對角布置型鋼SRC柱的抗震性能受加載角度影響最大,但無論加載角度為多少,其抗震性能仍優(yōu)于普通SRC柱.

(a) 試件SRC1(b) 試件SRC2(c) 試件SRC3

(a) 極限承載力(b) 位移延性系數(shù)

5) 配鋼率對對角布置十字型鋼SRC柱的影響.針對對角布置十字型鋼SRC柱,在SRC3的基礎(chǔ)上,運用ABAQUS建立不同配鋼率的模擬試件SRC3-2、SRC3-3,研究不同配鋼率對對角布置十字型鋼SRC柱抗震性能的影響,如圖11所示,試件SRC3-2、SRC3-3的型鋼截面尺寸分別為197×100×6×8、157×140×6×8.三種對角布置十字型鋼SRC柱的型鋼含鋼率分別為7.32%、8.54%、9.82%.

(a) 試件SRC3-1(b) 試件SRC3-2(c) 試件SRC3-3

3種配鋼率的對角布置十字型鋼SRC柱極限承載力與位移延性系數(shù)如圖12所示,由圖12可知,三者均具有良好的抗震性能.相比較而言,試件SRC3-2在高軸壓力作用下表現(xiàn)出最優(yōu)越的承載能力,但隨著軸壓比的增大,延性及滯回耗能能力下降較快;試件SRC3-3在高軸壓比下表現(xiàn)出最優(yōu)越的延性及耗能能力,這是由于其核心混凝土被4個型鋼翼緣完全包圍,三向受壓使得抗壓強度得以提高,延性也得到改善,從而提高了柱子的延性和耗能能力.總的來說,試件SRC3-1的抗震性能稍遜于其他2個試件,試件SRC3-3的抗震性能最穩(wěn)定.

(a) 極限承載力(b) 位移延性系數(shù)

3 結(jié) 論

1) 對角布置十字型鋼這一形式可充分發(fā)揮型鋼的作用,在很大程度上改善了SRC柱的抗震性能,抗震性能優(yōu)于擴大十字型鋼SRC柱,但其抗震性能受腹板厚度和加載角度影響較大.

2) 擴大十字型鋼SRC柱抗震性能明顯優(yōu)于普通SRC柱,且無論加載角度如何變化,均表現(xiàn)出優(yōu)越的抗震性能.

3) 普通SRC柱延性性能最差,擴大十字型鋼SRC柱在低軸壓比下延性最好,對角布置型鋼SRC柱在高軸壓比下表現(xiàn)出最好的延性.