L形方鋼管混凝土組合異形柱弱軸抗震性能研究

康 寅,王 培

(1.青島酒店管理職業(yè)技術(shù)學(xué)院 酒店工程學(xué)院,青島 266100;2.青島理工大學(xué) 理學(xué)院,青島 266525)

近年來,異形柱結(jié)構(gòu)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)逐漸受到工程建設(shè)者的青睞。相較于框架結(jié)構(gòu),異形柱結(jié)構(gòu)不露柱腳,不占用使用面積,建筑效果好;相較于剪力墻結(jié)構(gòu),異形柱結(jié)構(gòu)柱肢短,造價(jià)低[1]。但是由于異形柱的質(zhì)心與剛心不重合,導(dǎo)致其抗扭剛度及抗震性能均低于規(guī)則方柱[2]。我國(guó)規(guī)范[3]對(duì)異形柱結(jié)構(gòu)的最大適用高度有嚴(yán)格的限制,且在8度(0.30 g)及9度區(qū)禁止使用異形柱結(jié)構(gòu),而這無疑對(duì)異形柱結(jié)構(gòu)的推廣產(chǎn)生了一定的影響。

為提高異形柱的抗震性能,參照鋼管混凝土柱的設(shè)計(jì)思路,陳志華等[4]將多個(gè)方鋼管混凝土柱用連接鋼板相連,設(shè)計(jì)出了一種L形方鋼管混凝土組合異形柱(LCFT柱),如圖1所示。軸壓[5]及壓彎[6]承載力試驗(yàn)證明:LCFT柱的破壞模式以繞弱軸的扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)為主,其承載力與普通混凝土異形柱相比有較大提升。周婷[7]對(duì)LCFT柱試件施加A向(圖1)的低周反復(fù)作用,對(duì)其強(qiáng)軸的抗震性能進(jìn)行了研究,試驗(yàn)證明:LCFT柱繞強(qiáng)軸方向的延性系數(shù)約為2.7,具有較好的抗震性能。鑒于上述研究基礎(chǔ),陳志華等將方鋼管混凝土組合異形柱框架結(jié)構(gòu)應(yīng)用于汶川漁子溪村的災(zāi)后重建[8],取得了良好的社會(huì)效益和建筑效果。

圖1 LCFT柱示意

綜上所述,LCFT柱抗震性能良好,可用于工程實(shí)際。但這一研判多是基于其強(qiáng)軸的抗震性能,相關(guān)的試驗(yàn)及有限元模擬也多是從A向施加低周反復(fù)荷載。而L形截面存在弱軸且地震波的來向具有不確定性,因此本文利用ABAQUS有限元軟件從B向(圖1)對(duì)LCFT柱施加低周反復(fù)荷載,對(duì)其弱軸的抗震性能進(jìn)行了研究。

1 試件設(shè)計(jì)

選用常用建筑材料C30混凝土及Q235鋼材進(jìn)行試件設(shè)計(jì)。如圖2所示,參考常用民居建筑的層高,取柱高為3000 mm;為保證連接鋼板的局部穩(wěn)定,參考相關(guān)規(guī)范[9],在連接鋼板的兩側(cè)對(duì)稱設(shè)置橫向加勁肋,外伸長(zhǎng)度B取為(L′/30+40),縱向間距取為1.5L′,厚度與連接鋼板相同,均為6 mm;為節(jié)約鋼材降低造價(jià),在連接鋼板的中部開設(shè)圓洞,直徑為0.5L′,縱向間距為1.5L′。試驗(yàn)以柱肢厚度H、方鋼管壁厚t及柱肢長(zhǎng)厚比n(n=L/H)為變量設(shè)計(jì)試件,試件編號(hào)及相關(guān)參數(shù)如表1所示。

圖2 試件示意

表1 試件構(gòu)造尺寸

2 有限元參數(shù)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

2.1 混凝土本構(gòu)模型

采用塑性損傷本構(gòu)模型[10],彈性模量取驗(yàn)證試驗(yàn)[7]的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),其余參數(shù)參考相關(guān)試驗(yàn)[11]的有限元設(shè)置,如表2所示。

表2 塑性損傷本構(gòu)模型參數(shù)

2.1.1 混凝土受壓本構(gòu)模型

鋼管中的混凝土在受壓時(shí)處于四面約束的狀態(tài),與普通混凝土的受力狀態(tài)并不相同[12],為模擬其應(yīng)力-應(yīng)變特性,當(dāng)應(yīng)變?chǔ)拧?0εc0時(shí),選用與李威[11]相近的本構(gòu)模型;當(dāng)應(yīng)變?chǔ)?10εc0時(shí),為使模擬結(jié)果中骨架曲線的下降段與驗(yàn)證試驗(yàn)相契合,經(jīng)試算,選用線性下降的本構(gòu)關(guān)系,如式(1)所示。

(1)

式中:yc=σ/σc0;xc=ε/εc0;εc0=1300+12.5f′c+2ξ0.2·[1400+800(f′c/24-1)];σc0=[1+(-0.054ξ2+0.4ξ)·(24/f′c)0.45]·f′c;ξ=fyAs/fckAc;q=ξ0.745/(1+ξ);As,Ac分別為單根鋼管混凝土柱中鋼材截面面積和混凝土截面面積;f′c為混凝土圓柱體抗壓強(qiáng)度;fy為鋼材的屈服強(qiáng)度;fck為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

混凝土受壓本構(gòu)模型如圖3所示。

2.1.2 混凝土受拉本構(gòu)模型

由于鋼管與混凝土的接觸面并不牢靠,受拉時(shí)可脫開,因此鋼管圍套對(duì)混凝土受拉本構(gòu)模型的影響較小,可采用普通混凝土的受拉本構(gòu)模型,如式(2)所示。

(2)

混凝土受拉本構(gòu)模型如圖4所示。

圖4 混凝土受拉本構(gòu)模型

2.2 鋼材本構(gòu)模型

鋼材以金屬材料力學(xué)性能試驗(yàn)[7]的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),采用“三折線”本構(gòu)模型模擬循環(huán)荷載下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,如圖5所示。

圖5 鋼材本構(gòu)模型

2.3 加載制度

有限元模擬采用與驗(yàn)證試驗(yàn)[7]相同的加載制度。取B向(圖1)為位移的正方向,取B向的反向?yàn)槲灰频呢?fù)方向,如圖6所示。在試件達(dá)到屈服位移Δ之前,取級(jí)差為Δ/3,每級(jí)荷載循環(huán)1次;當(dāng)試件達(dá)到屈服位移Δ之后,取級(jí)差為Δ,每級(jí)荷載循環(huán)3次。

圖6 加載制度

2.4 有限元參數(shù)驗(yàn)證

周婷[7]以1/2的縮尺比例設(shè)計(jì)了LCFT柱試件W5,并利用低周往復(fù)試驗(yàn)對(duì)強(qiáng)軸向的抗震性能進(jìn)行了研究。試件W5柱高1500 mm,柱肢長(zhǎng)厚比n為3.5;單根鋼管柱截面尺寸為100 mm×100 mm,外包鋼板厚度為4 mm,軸壓比為0.3。采用上述有限元參數(shù)建立試件W5的ABAQUS有限元模型,并將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,如圖7和表3所示:二者極限荷載相近,骨架曲線基本吻合;利用幾何作圖法求得的各項(xiàng)抗震性能評(píng)價(jià)指標(biāo)基本相同,誤差低于10%。由此可知上述有限元參數(shù)可用于LCFT柱的有限元分析。

表3 有限元計(jì)算結(jié)果的誤差分析

3 破壞現(xiàn)象及數(shù)據(jù)整理

3.1 破壞現(xiàn)象

數(shù)值模擬表明,在B向低周反復(fù)荷載下,LCFT柱進(jìn)入塑性階段后,犄角處的鋼管柱柱底鼓曲,連接鋼板變形,其破壞現(xiàn)象如圖8所示。

圖8 LCFT柱破壞云圖

3.2 骨架曲線

將27個(gè)試件的骨架曲線按照柱肢厚度的不同進(jìn)行歸納整理:當(dāng)柱肢厚度為180,200,220 mm時(shí),各試件骨架曲線隨肢厚比n及方鋼管壁厚t的變化規(guī)律如圖9所示。

圖9 各試件骨架曲線

3.3 延性系數(shù)

依據(jù)骨架曲線,采用幾何作圖法[13]求得各試件的屈服位移Δy、極限位移Δu和延性系數(shù)μ(μ=Δu/Δy),如表4所示。

表4 各試件屈服位移、極限位移和延性系數(shù)

4 理論分析

由表4可知,當(dāng)肢厚H及肢厚比n較小,方鋼管壁厚t較薄時(shí),L形方鋼管組合異形柱弱軸向的抗震性能較差。通過相關(guān)性分析[14]簡(jiǎn)化自變量的個(gè)數(shù),再利用最小二乘法對(duì)表中數(shù)據(jù)進(jìn)行二元二次曲線擬合[15]得各試件延性系數(shù)μ與肢長(zhǎng)L、肢厚H、長(zhǎng)厚比n及方鋼管壁厚t之間的關(guān)系,如式(3)所示。

(3)

由式(3)得,可通過調(diào)整肢長(zhǎng)L和增厚方鋼管壁厚t的方式增大L形方鋼管組合異形柱弱軸向的延性系數(shù),獲得與強(qiáng)軸向相近的抗震性能。除此之外,由表4可知,各試件的極限位移變化不大,均值為201.89 mm,極差僅7.7%,由此可得L形方鋼管組合異形柱弱軸向?qū)娱g極限位移角約為1/15。

5 結(jié)論

1) L形方鋼管組合異形柱弱軸向的抗震性能較差,破壞模式以犄角處的鋼管柱柱底鼓曲,連接鋼板變形為主;延性系數(shù)μ與肢長(zhǎng)L、肢厚H、肢厚比n及方鋼管壁厚t之間的關(guān)系為μ=1.7913×10-5L2-0.0205L+0.2069t+7.0595,其中L=nH。

2) 可通過調(diào)整肢長(zhǎng)L和增厚方鋼管壁厚t的方式增大L形方鋼管組合異形柱弱軸向的延性系數(shù),使其獲得與強(qiáng)軸向相近的抗震性能。

3) 當(dāng)因建筑需求導(dǎo)致肢長(zhǎng)L調(diào)整困難,或因增厚方鋼管壁厚t導(dǎo)致造價(jià)過高時(shí),應(yīng)驗(yàn)算L形方鋼管組合異形柱框架結(jié)構(gòu)弱軸向的層間位移角,最大值不應(yīng)超過1/15。