鋼管混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)抗震性能分析

王述超（信陽(yáng)師范學(xué)院，河南 信陽(yáng) 464000）

因?yàn)殇摴芑炷廉愋沃蚣芙Y(jié)構(gòu)是多個(gè)部分焊接、連接形成，在應(yīng)用過(guò)程中，受到外力作用后，其力學(xué)變化情況較為復(fù)雜[5]；并且異形柱界面具有不規(guī)則的特殊性，用于建筑框架后的抗震性能尤為關(guān)鍵；該性能決定該類(lèi)框架結(jié)構(gòu)施工后，能否保證建筑在地震條件下的安全性[6]。本文主要針對(duì)鋼管混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)抗震性能展開(kāi)相關(guān)分析，為該類(lèi)框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用提供相關(guān)依據(jù)。

1 鋼管混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)抗震性能

1.1 鋼管混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)試件制備

本文為分析鋼管混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)的抗震性能，設(shè)計(jì)3 個(gè)鋼管混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)試件，該試件形狀為H型鋼梁框架-人字形中心支撐結(jié)構(gòu)，三個(gè)試件分別用S1、S2、S3表示，試件設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)詳情

按照表1的設(shè)計(jì)參數(shù)完成試件制備，制備時(shí)混凝土等級(jí)為C30，制備的框架中兩主節(jié)點(diǎn)為外肋環(huán)板節(jié)點(diǎn)，異形柱中鋼管的截面邊長(zhǎng)為78mm，豎向連接板和異形柱高度一致，橫向肋板尺寸為78mm×35mm×5mm。三種試件結(jié)構(gòu)立面圖相同，如圖1所示。

圖1 試件結(jié)構(gòu)立面圖

制備的3種試件在軸心壓力作用下，異型柱截面的受壓承載力用Nu表示，其計(jì)算公式為：

式中m表示鋼管混凝土異形柱中單肢柱的數(shù)量；fy和fc分別表示鋼管屈服應(yīng)力和混凝土抗壓強(qiáng)度；As和Ac均表示截面面積，前者對(duì)應(yīng)單肢柱鋼管，后者對(duì)應(yīng)混凝土。

制備的3 種試件中鋼材料的相關(guān)物理性能參數(shù)如表2所示，該物理參數(shù)是以《金屬材料拉伸試驗(yàn)》相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)后得出。

制備完成的3種試件均位于相同條件下養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28d，到達(dá)養(yǎng)護(hù)時(shí)間后，取出置于正常室溫環(huán)境中備用。

例如，在高考復(fù)習(xí)中，針對(duì)“一帶一路建設(shè)”的國(guó)際性案例，可以讓學(xué)生從生態(tài)角度、經(jīng)濟(jì)角度對(duì)其進(jìn)行分析。如，可以讓學(xué)生探究和討論怎樣在保護(hù)環(huán)境的基礎(chǔ)上，不影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展。再如，還可以讓學(xué)生從旅游角度出發(fā)，探討旅游資源開(kāi)發(fā)應(yīng)注意的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)國(guó)際案例的分析，不僅能夠發(fā)散學(xué)生的思維，而且對(duì)人文地理特征、自然地理特征的思考，也能讓學(xué)生更全面的了解相關(guān)知識(shí)，進(jìn)而可有效提高學(xué)生地理水平[2]。

1.2 加載裝置和加載方案

為衡量試件在荷載下的承載能力，文中采用加載裝置進(jìn)行試件加載試驗(yàn)，該加載裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 加載裝置結(jié)構(gòu)

該裝置在進(jìn)行試件加載試驗(yàn)時(shí)，利用千斤頂向試件施加恒定的豎向載荷；通過(guò)千斤頂上方的滑動(dòng)支座，保證試件測(cè)試時(shí)框架和加載梁之間自由移動(dòng)。在試件頂部施加拉壓千斤頂，以此提供側(cè)向水平循環(huán)作用力。

試驗(yàn)時(shí)為掌握試件在載荷作用下整體變形、各個(gè)節(jié)點(diǎn)位置的應(yīng)力變化情況，在試件頂部安裝位移傳感器，采集框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形結(jié)果；在梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)、混凝土構(gòu)件表面安裝應(yīng)變傳感器采集靜態(tài)應(yīng)變結(jié)果；并利用裂縫寬度測(cè)量?jī)x測(cè)定混凝土開(kāi)裂情況。

加載裝置在進(jìn)行試件試驗(yàn)加載時(shí)，以《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》（JGJ 101-96）為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定循環(huán)加載方案，如圖3所示。

圖3 水平荷載加載制度

在正式加載前，先對(duì)加載裝置進(jìn)行兩次循環(huán)荷載施加，檢查裝置的使用情況，確定裝置能正常使用后，進(jìn)行試件的預(yù)加載。在該過(guò)程中，試件頂部軸力設(shè)為50%No，其中，No表示試驗(yàn)過(guò)程中試件柱頂施加的軸力。在試件發(fā)生屈服前水平加載采用力控制，并實(shí)行荷載等級(jí)劃分，共設(shè)為5 個(gè)等級(jí)，分別為0.2Foy、0.4Foy、0.6Foy、0.8Foy以及1.0Foy，通過(guò)五個(gè)等級(jí)的施加，直到屈服荷載；試驗(yàn)過(guò)程中每個(gè)等級(jí)的荷載循環(huán)兩次，每次循環(huán)施加至峰值后，維持3min，當(dāng)位移傳感器和應(yīng)力傳感器完成數(shù)據(jù)采集后，進(jìn)行荷載卸載。在整個(gè)加載過(guò)程中，持續(xù)荷載下降至峰值荷載的85%時(shí)，停止測(cè)試，標(biāo)志試件發(fā)生破壞。

1.3 性能計(jì)算

本文為精準(zhǔn)分析鋼管混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)的抗震性能，采用延性μ、強(qiáng)度退化λj、剛度退化ξj、承載力退化φj4 個(gè)指標(biāo)進(jìn)行衡量，上述指標(biāo)能夠描述試件破壞前，承受的最大后期變形能力、損傷造成的強(qiáng)度下降、剛度情況以及承載能力等，上述指標(biāo)均是描述框架結(jié)構(gòu)抗震性能的重要指標(biāo)。

式中Δu和Δy均表示位移，前者為極限狀態(tài)，后者為屈服狀態(tài)下；j表示荷載等級(jí)，在該級(jí)別下，第一次和最后一次循環(huán)時(shí)的最大荷載分別為Fj1和Fjn；在該級(jí)別下的第i次循環(huán)時(shí)，側(cè)向水平荷載和水平位移兩種峰值分別用Pji和Uji表示；在該等級(jí)下第一次和第二次加載循環(huán)的峰值荷載分別用Pj,1和Pj,2表示。

在分析鋼管混凝土異性柱框架結(jié)構(gòu)的抗震性能時(shí)，僅依靠上述4 個(gè)指標(biāo)完成，則分析結(jié)果存在一定局限性，無(wú)法全面掌握該框架結(jié)構(gòu)的全面抗震能力，還需計(jì)算框架結(jié)構(gòu)的循環(huán)能耗ψ。

ψ 是荷載-位移曲線(xiàn)的包圍面積，其能夠描述試件在循環(huán)水平荷載下消耗的能量，滯回曲線(xiàn)的飽滿(mǎn)程度越佳，表示試件能耗性能越佳，在地震作用下的破壞概率越低，荷載-位移曲線(xiàn)的包圍面積如圖4所示。

圖4 荷載-位移曲線(xiàn)的包圍面積示意圖

ψ的計(jì)算公式為：

式中SΔABC、SΔCDA、SΔOBE、SΔODF分別表示不同曲線(xiàn)形成的包圍面積。

1.4 有限元模型分析

為分析鋼管混凝土異性柱框架結(jié)構(gòu)在荷載下的應(yīng)力變形情況，本文采用ABAQUS 有限元軟件構(gòu)建該結(jié)構(gòu)的有限元模型，模型的各個(gè)構(gòu)件采用C3D8R 單元進(jìn)行三維實(shí)體構(gòu)建；試件中的混凝土通過(guò)該軟件的塑性損傷模型構(gòu)建；鋼結(jié)構(gòu)則采用彈性單元構(gòu)建。對(duì)鋼管和混凝土設(shè)定法向和切向約束；框架結(jié)構(gòu)置于加載基礎(chǔ)梁上，同時(shí)在梁的底部施加完全固結(jié)約束。并依據(jù)耦合約束設(shè)定參考點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)墊板表面的約束，以此施加豎向、水平兩種荷載和位移。

為保證鋼管混凝土異性柱框架結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建效果，采用映射網(wǎng)格劃分法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)定的網(wǎng)格尺寸大小為75/4mm，框架結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖5所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 延性系數(shù)和循環(huán)能耗結(jié)果分析

獲取3 個(gè)試件在相同荷載下的位移延性結(jié)果和循環(huán)能耗結(jié)果，如表3所示。

表3 3個(gè)試件的位移延性結(jié)果

依據(jù)表3 分析結(jié)果可知：3 個(gè)試件在相同荷載下，試件的屈服位移和極限位移結(jié)果均逐漸增加；循環(huán)能耗結(jié)果也呈現(xiàn)逐漸上升趨勢(shì)。這是由于3 個(gè)試件的軸壓比存在差異，軸壓比越大，試件的延性位移和循環(huán)能耗結(jié)果越大，即試件的延性性能、能耗越佳，則框架結(jié)構(gòu)的抗震性能越佳。

2.2 強(qiáng)度、剛度和承載力的退化結(jié)果分析

獲取3 個(gè)試件在不同位移結(jié)果下，強(qiáng)度、剛度和承載力的退化結(jié)果，如表4所示。

表4 強(qiáng)度、剛度和承載力的退化結(jié)果

依據(jù)表4分析結(jié)果可知：三個(gè)試件在位移幅值加載時(shí)，強(qiáng)度、剛度和承載力的退化結(jié)果隨著循環(huán)次數(shù)的變化而變化，三者的強(qiáng)度退化結(jié)果和承載力退化結(jié)果均在0.9 以上，滿(mǎn)足相關(guān)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，即三者的退化情況不顯著，結(jié)構(gòu)性能均較好；證明軸壓比越大，框架結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能越佳，抗震性能越好。但是對(duì)三個(gè)試件的結(jié)果對(duì)比后，S3的結(jié)果相對(duì)略高于另外兩個(gè)試樣的結(jié)果，因此，其性能最佳；但是對(duì)比三個(gè)試樣的剛度退化結(jié)果后，試樣3的剛度退化結(jié)果值略高于另外兩個(gè)試樣的結(jié)果，因此，軸壓比越大，剛度退化結(jié)果越小。結(jié)合三者的整體分析結(jié)果可確定S3的綜合性能最佳。

2.3 有限元分析結(jié)果

分析3 個(gè)試件在持續(xù)荷載下降至峰值荷載的85%時(shí)，框架結(jié)構(gòu)整體的應(yīng)力情況，由于篇幅限制，結(jié)果僅隨機(jī)呈現(xiàn)S3的分析結(jié)果，如圖6所示。

圖6 有限元分析結(jié)果

依據(jù)圖6分析結(jié)果可知：試件在持續(xù)荷載下降至峰值荷載的85%的條件下，鋼梁梁段翼緣位置發(fā)生一定屈服，但是異形柱沒(méi)有發(fā)生明顯破壞。證明鋼管混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)的抗震性能較好，能夠滿(mǎn)足抗震需求。

3 結(jié)語(yǔ)

鋼管混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)在建筑中的應(yīng)用較好，但其抗震性能直接影響建筑框架結(jié)構(gòu)的安全性。因此，本文對(duì)鋼管混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)的抗震性能展開(kāi)分析，研究不同軸壓比對(duì)于結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，分析不同位移加載下結(jié)構(gòu)抗震性能，為相關(guān)工程提供參考。