低周反復(fù)載荷下型鋼鋼管混凝土柱力學(xué)性能

劉　曉, 任　攀, 王　兵, 李　敏

(沈陽大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 遼寧 沈陽　110044)

低周反復(fù)載荷下型鋼鋼管混凝土柱力學(xué)性能

劉曉, 任攀, 王兵, 李敏

(沈陽大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 遼寧 沈陽110044)

摘要:為了研究型鋼鋼管混凝土的滯回性能,利用有限元軟件,選擇約束效應(yīng)系數(shù)和強(qiáng)弱軸不同加載方向為參數(shù),對型鋼鋼管混凝土柱的耗能、延性等滯回性能進(jìn)行了研究.研究表明,各構(gòu)件的載荷-位移滯回曲線飽滿,構(gòu)件在低周反復(fù)載荷下的承載、耗能能力,以及延性可以通過提高約束效應(yīng)系數(shù)而增強(qiáng),強(qiáng)弱軸不同加載方式對構(gòu)件的承載力影響不大.

關(guān)鍵詞:鋼管鋼骨混凝土; 約束效應(yīng)系數(shù); 強(qiáng)弱軸; 延性; 滯回性能

鋼材抗拉、抗壓、抗彎性能優(yōu)越,但不耐火和不耐腐蝕,混凝土的耐壓及耐火性能優(yōu)越,但是抗彎性能不好.將混凝土注入鋼管內(nèi),能提高鋼管的穩(wěn)定性,以免鋼管在火災(zāi)下承載力減小.由于外鋼管約束,混凝土處于多向受壓狀態(tài),自身的抗壓、抗變形、抗沖擊能力得到增強(qiáng).混凝土的存在,使得內(nèi)部工字鋼得到保護(hù),能夠抵抗外界的腐蝕,同時可以吸收熱量,彌補(bǔ)鋼材不耐火的缺點.當(dāng)混凝土破壞后,工字鋼可以繼續(xù)承受載荷,防止構(gòu)件突然破壞.鋼管還可以充當(dāng)混凝土的模板,縮短施工期限.目前對于型鋼鋼管混凝土柱,主要進(jìn)行了內(nèi)置十字形以及內(nèi)置工字形型鋼鋼管混凝土柱滯回性能的研究[1-4],對外包圓形鋼管、內(nèi)嵌工字鋼這種形式的鋼管鋼骨混凝土構(gòu)件的抗震性能研究欠缺.本文將對此種型鋼鋼管混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能進(jìn)行研究.

1模型建立及本構(gòu)關(guān)系

1.1本構(gòu)關(guān)系

(1) 鋼管的本構(gòu)關(guān)系.本次實驗外鋼管的型號為Q235,采用五折線σ-ε關(guān)系曲線[5],見圖1.

(2) 型鋼的本構(gòu)關(guān)系. 型鋼所受側(cè)向載荷較小,模擬時假定在外鋼管及混凝土的約束下只受軸向載荷,所以與受拉σ-ε曲線十分相似.在模擬中,該模型使用如圖2所示的四折線σ-ε關(guān)系曲線[6].

圖1　鋼管的σε關(guān)系曲線

圖2　型鋼的σε關(guān)系曲線

(3) 核心混凝土的本構(gòu)關(guān)系. 核心混凝土本構(gòu)關(guān)系是在現(xiàn)有鋼管核心混凝土σ-ε曲線[7](εc為混凝土縱向壓應(yīng)變;σc-εc為對應(yīng)混凝土的壓應(yīng)力)基礎(chǔ)上的修正,其結(jié)果通過文獻(xiàn)[8]中所述軸壓試驗得以驗證,修正后的公式為:

1.2型鋼鋼管混凝土柱有限元建模

Part部分,鋼管設(shè)成3D Deformable Shell,混凝土和內(nèi)置工字鋼為3D Deformable Solid.

圖3模型部件

Fig.3Model component diagram

(a)—鋼管; (b)—核心混凝土; (c)—型鋼; (d)—蓋板; (e)—整體模型.

Property部分,分別為不同的部分設(shè)置不同的本構(gòu)關(guān)系并且指定到相應(yīng)的截面,Shell厚度方向選取 9 個積分點的 Simpson 積分.各部件模擬如圖3所示.

在Step部分將Nlgeom設(shè)為ON;在Property部分根據(jù)描點作圖的方法,設(shè)置非線性的材料屬性;邊界條件設(shè)成非線性并在Interaction部分設(shè)置相應(yīng)的接觸關(guān)系.

對于部件間的接觸,將端板與外鋼管和工字鋼設(shè)為焊接、混凝土與端板和工字鋼為綁定、混凝土與鋼管間摩擦接觸.

2參數(shù)分析

2.1強(qiáng)弱軸方向施加位移的影響

圖4強(qiáng)軸加載和弱軸加載的圖示

Fig.4Schematic diagram of minor and

major axial loading

工字鋼本身是非軸對稱構(gòu)件,在加載方向上有強(qiáng)弱軸之分,見圖4.本文將以強(qiáng)弱軸不同的加載方向及約束系數(shù)為參數(shù)進(jìn)行抗震分析.

2.2構(gòu)件參數(shù)

混凝土的抗壓強(qiáng)度為70 MPa,鋼骨和鋼管的屈服強(qiáng)度為235 MPa,軸壓比為0.2.具體內(nèi)容見表1.

表1　構(gòu)件參數(shù)

注:D、t分別表示鋼管的直徑和厚度;fck、fty、fsy分別表示混凝土的抗壓強(qiáng)度、型鋼和鋼管的屈服強(qiáng)度.

2.3加載方式

選取位移控制加載方式.

2.4滯回曲線

圖5滯回曲線

Fig.5Hystereticcurve

(a)—強(qiáng)軸加載,θ=0.123; (b)—弱軸加載,θ=0.123; (c)—強(qiáng)軸加載,θ=0.186;

(d)—弱軸加載θ=0.186; (e)—強(qiáng)軸加載,θ=0.312; (f)—弱軸加載θ=0.312.

為了反映構(gòu)件的承載能力、剛度和延性等特征,本文對構(gòu)件的滯回性能進(jìn)行研究.滯回曲線是構(gòu)件在反復(fù)載荷作用下位移與載荷之間的關(guān)系曲線,通過反復(fù)加載與卸載繪制成滯回環(huán)曲線,見圖5.

外鋼管使混凝土三向受壓,內(nèi)部型鋼使混凝土的裂縫開展緩慢.因混凝土彌補(bǔ)了鋼材構(gòu)件容易失穩(wěn)的缺陷,使得構(gòu)件的整體穩(wěn)定性得到提高.通過對滯回環(huán)的分析可見,構(gòu)件在不同的θ或者加載方式下,均可以得到飽滿的滯回曲線,說明構(gòu)件抗震性能良好.

在滯回性能研究中,構(gòu)件在一次反復(fù)載荷加載下所吸收的能量可以用一個滯回環(huán)所圍成的面積表示.如果不考慮彈塑性只單一考慮彈性階段,幾乎重合,這樣所得滯回環(huán)包圍的面積是很小的,說明吸收的能量極少,抗震性能不好.考慮彈塑性后,卸載后曲線與本次加載的曲線分隔較大,得到面積也大,說明吸收的能量較多,抗震性能好.由圖5滯回曲線可以發(fā)現(xiàn),滯回環(huán)圖形面積隨著反復(fù)加載不斷增大,說明構(gòu)件的滯回耗能能力良好.

2.5骨架曲線

利用滯回曲線, 將在反復(fù)載荷作用下的峰值點與第一次達(dá)到屈服強(qiáng)度加載曲線的上升段連接起來, 就能夠得到一條軌跡曲線, 這就是骨架曲線, 如圖6所示. 通過構(gòu)件的骨架曲線能反映出構(gòu)件的開裂、極限強(qiáng)度以及變形能力等力學(xué)特征.

圖6不同方向加載的骨架曲線

Fig.6Skeletoncurveofdifferentloadingdirection

(a)—θ=0.123; (b)—θ=0.186; (c)—θ=0.312.

從圖6可以看出,曲線在經(jīng)歷彈性階段后會逐漸達(dá)到峰值,曲線沒有明顯的下降,這說明構(gòu)件延性好,有很好的抗震性能.工字鋼本來有強(qiáng)弱軸之分,然而通過骨架曲線還能發(fā)現(xiàn)沿弱軸方向加載的峰值與沿強(qiáng)軸加載的峰值差別不大,并且彈性模量差別也不大,非常接近,這可能是由于外鋼管及混凝土的約束作用使得內(nèi)部型鋼強(qiáng)弱軸的差別不再那么明顯.

從不同約束效應(yīng)系數(shù)θ(圖7)可得出以下結(jié)論:

(1) 構(gòu)件的極限承載能力隨著θ的增大而明顯增強(qiáng),例如θ=0.312的構(gòu)件比θ=0.123的構(gòu)件的極限承載力提高了80%左右.

圖7不同約束效應(yīng)系數(shù)的骨架曲線

Fig.7Skeleton curve of different constraint effect coefficient

(a)—沿強(qiáng)軸加載不同約束系數(shù)的骨架曲線; (b)—沿弱軸加載不同約束系數(shù)的骨架曲線.

(2) 彈性階段:構(gòu)件θ提高,彈性模量也會提高.因為當(dāng)構(gòu)件處于彈性階段時,力和位移相對較小,混凝土和型鋼的作用沒有太明顯地體現(xiàn)出來,主要是外鋼管發(fā)揮作用.這時鋼管的厚度對彈性模量的影響就會非常明顯,管壁薄θ小,彈性模量也就越小.

2.6無量綱骨架曲線

無量綱骨架曲線是指以加載過程中的水平載荷與峰值載荷之比為縱坐標(biāo),以水平位移與峰值載荷所對應(yīng)的位移之比為橫坐標(biāo)所得到的曲線.通過無量綱骨架曲線可以反映出加載過程的變形特征和強(qiáng)度衰減情況.

圖8不同加載方向的無量綱骨架曲線

Fig.8Non-dimensional skeleton curve of different loading direction

(a)—θ=0.123; (b)—θ=0.186; (c)—θ=0.312.

從圖8中的無量綱骨架曲線中可以看出,各構(gòu)件從開始加載到達(dá)到峰值之前均為彈性階段,不同加載方向所得彈性階段的變形特征相似,達(dá)到峰值后均有下降段.且弱軸下降段比強(qiáng)軸下降段下降緩慢,說明構(gòu)件在峰值載荷后沿弱軸加載的抗變形能力和延性略好于強(qiáng)軸加載.

圖9不同約束效應(yīng)系數(shù)的無量綱骨架曲線

Fig.9Non-dimensional skeleton curve of different constraint effect coefficient

(a)—強(qiáng)軸加載; (b)—弱軸加載.

從圖9不同約束效應(yīng)系數(shù)的無量綱骨架曲線能夠發(fā)現(xiàn),各構(gòu)件在加載的初始階段為彈性階段,以彈性變形為主.在一定范圍內(nèi),曲線斜率隨著θ的提高而提高.在到達(dá)峰值點之后,曲線開始平緩下降,這意味著構(gòu)件的承載能力開始下降.

2.7延性

延性是指材料的結(jié)構(gòu)、構(gòu)件或構(gòu)件的某個截面從屈服開始到達(dá)最大承載能力或到達(dá)以后而承載能力還沒有明顯下降期間的變形能力.

在構(gòu)件達(dá)到極限載荷之后并不會立即退出工作,仍然具有一定的承載能力.延性系數(shù)是指極限載荷之后的最大變形Δu與Δy之比,見表2,Δy是指極限載荷時對應(yīng)的極限變形.

表2　延性系數(shù)

軸壓比、θ、混凝土強(qiáng)度等因素都能影響型鋼鋼管混凝柱的延性,本文主要研究不同加載方向和θ對構(gòu)件延性的影響.

從表2中可以看出,在其他參數(shù)不變的情況下,組合柱的延性系數(shù)μ與強(qiáng)弱軸不同加載方向關(guān)系不大,但隨θ的增大而增大.以強(qiáng)軸加載為例,當(dāng)θ從0.123增加到0.186時和從0.186增加到0.312時,延性系數(shù)分別增加了2.5%和7.4%.現(xiàn)從兩個方面加以解釋:

(1) 從混凝土的角度講,將水平力施加在柱子頂端,柱子便有了變形,并且變形隨著水平載荷的增大而增大,當(dāng)增大到一定程度后,便會受到外部鋼管的約束作用,這樣就會使混凝土的極限應(yīng)變增加,變形能力增強(qiáng),整個柱子的延性便會隨之增加.即μ會隨著θ的提高而增大.

(2) 從鋼管角度講,鋼管對混凝土有約束的作用,約束作用變強(qiáng),就意味著鋼管要承擔(dān)更多的載荷,這樣混凝土原本承擔(dān)的載荷就會變小,其應(yīng)變也會相應(yīng)減小,因此構(gòu)件的延性就會變高.

極限位移角能夠反映構(gòu)件的變形能力,用極限位移除以層高可以得到極限位移角Rμ.即Rμ=Δu/Lh.計算結(jié)果見表3.

表3　極限位移角

從表3可以看出,在其他參數(shù)不變的情況下,隨著θ增大極限位移角都有提高,這意味著在一定范圍內(nèi),通過提高構(gòu)件的θ可以明顯增強(qiáng)構(gòu)件的延性.強(qiáng)弱軸不同的加載方向?qū)O限位移角也有影響,但是隨著θ的提高,強(qiáng)弱軸的極限位移角差別會減小.

3結(jié)語

(1) 在不同θ及強(qiáng)弱軸不同加載方向下,各構(gòu)件的載荷-位移滯回曲線沒有明顯的捏縮現(xiàn)象出現(xiàn),都比較飽滿,這說明構(gòu)件的耗能能力和塑性變形能力良好.利用滯回曲線圍成的面積對構(gòu)件的耗能能力進(jìn)行分析,得出構(gòu)件的耗能能力隨θ的增大而增強(qiáng).同時,通過改變構(gòu)件參數(shù),可以調(diào)整滯回曲線的外形以及承載能力.

(2) 通過分析骨架曲線和無量綱骨架曲線,發(fā)現(xiàn)曲線達(dá)到最大值后,下降速度平緩,構(gòu)件的后期延性好,具有良好的抗震性能.

(3) 通過研究組合柱的延性系數(shù)μ和極限位移角Ru得出,增大θ可以提高構(gòu)件的延性.在一定范圍內(nèi),強(qiáng)弱軸加載方向?qū)?gòu)件延性影響不大.

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【責(zé)任編輯: 祝穎】

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Mechanical Properties of Steel Tube Filled with Steel-Reinforced Concrete Column under Low Cyclic Loading

LiuXiao,RenPan,WangBing,LiMin

(Architectural and Civil Engineering College, Shenyang University, Shenyang 110044, China)

Abstract:In order to research the hysteretic behavior of steel tube filled with steel-reinforced concrete column, ABAQUS finite element analysis software is used to analyze hysteretic behavior, such as energy consumption and ductility, by comparing different select constraint effect coefficient and minor and major axis loading. The results show that, the load-displacement hysteretic curve of the components is full; the seismic capacity, energy dissipation capacity and ductility of the components could be enhanced by improving constraint effect coefficient under low cyclic loading; and minor and major axis loading has little effect on bearing capacity of member.

Key words:steel tube filled with steel-reinforced concrete composite column; constraint effect coefficient; minor and major axis loading; ductility; hysteretic behavior

中圖分類號:TU 398

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:2095-5456(2015)06-0477-06

作者簡介:劉曉(1974-),女,遼寧沈陽人,沈陽大學(xué)教授,博士后研究人員.

基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(51308347); 遼寧省自然科學(xué)基金資助項目(20092044).

收稿日期:2015-06-06