基于ADINA的焊接箍筋鋼板連梁抗震性能研究

富　騰,王興國,葛　楠,陳海彬

(華北理工大學(xué), 河北省地震工程研究中心, 河北唐山063009)

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基于ADINA的焊接箍筋鋼板連梁抗震性能研究

富騰,王興國,葛楠,陳海彬

(華北理工大學(xué), 河北省地震工程研究中心, 河北唐山063009)

摘要：為了利用有限元軟件ADINA建立了焊接箍筋鋼板—混凝土組合連梁數(shù)值計算模型，分別對嵌有8 mm，10 mm和12 mm鋼板厚度的鋼筋混凝土—鋼板組合連梁的抗震性能進行計算分析。結(jié)果表明了連梁內(nèi)的鋼板厚度即含鋼率對鋼板—混凝土連梁的抗震性能具有顯著的影響。連梁的抗震性能隨著鋼板含鋼率的增大而改善。如果鋼板厚度過小會導(dǎo)致連梁在地震時的延性和耗能性能不足；但若厚度過大會造成增大成本及施工難度增大等問題。為此，需要一個相對理想厚度的鋼板，使鋼板—混凝土連梁的抗震性能達到最優(yōu)。

關(guān)鍵詞：含鋼率；鋼板連梁；有限元分析；耗能性能

0引言

連梁在剪力墻結(jié)構(gòu)體系中抵抗地震作用的第一道防線。它具有約束剪力墻體，消耗水平地震能量的功能。在連梁設(shè)計時應(yīng)保證它具有足夠的承載力、剛度、延性及耗能能力。而在跨高比較小(小于1.5∶1)時普通鋼筋混凝土連梁通常會出現(xiàn)脆性破壞—剪切破壞的形式，使連梁很快失去承載力，剛度大幅度減小，墻肢彎矩較大，使結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌[1]。一些研究者通過試驗得出了在連梁中設(shè)置鋼板可以提高連梁的抗剪承載力的結(jié)論[2-8]。張剛[9]和馬思文等[10]分別通過有限元軟件MARC和ABAQUS對鋼板—混凝土連梁進行模擬，證實了以上試驗工作的結(jié)論。然而在連梁鋼板錨固進入墻肢的部位與剪力墻墻肢邊緣構(gòu)件中的水平箍筋在空間位置上產(chǎn)生矛盾。剪力墻邊緣構(gòu)件中的水平箍筋具有重要的作用，不僅要承受墻肢邊緣構(gòu)件中的剪力，而且主要為其中的豎向主筋及混凝土提供側(cè)向約束，防止主筋屈曲，使混凝土處于三向受壓狀態(tài)，增加墻肢的延性。一個可行的解決辦法是預(yù)先在鋼板端部兩側(cè)焊接半開口環(huán)式箍筋，在施工時安裝墻肢主筋之前，先安裝連梁鋼板，再將主筋穿入環(huán)箍并與下方的主筋連接，構(gòu)成焊接半開口鋼板—混凝土連梁，如圖1所示。但這時環(huán)形箍筋將隨同鋼板在錨固區(qū)一起發(fā)生變形，可能對其受力狀態(tài)產(chǎn)生不利影響。本文采用限元軟件ADINA建立了焊接環(huán)式箍筋混凝土—鋼板組合連梁的數(shù)值模型，模擬混凝土—鋼板組合連梁在水平地震作用下的變形及破壞特征，分析不同鋼板厚度對鋼板—混凝土連梁抗震性能的影響。

圖1焊接半開口箍筋的連梁鋼板

Fig.1Schama of steel plate with semi-loop welded stirrup

1計算模型建立

1.1幾何模型

結(jié)構(gòu)中的鋼筋混凝土連梁和剪力墻都采用的是結(jié)構(gòu)試驗中的雙肢墻模型，比例尺為1∶2。兩個墻肢的端部都設(shè)有翼緣，目的是為了固定試件和方便加載。在每側(cè)翼緣上分別預(yù)留兩排直徑48 mm的孔，每側(cè)8個。在連梁中設(shè)有鋼板，三個試件的厚度分別為8 mm，10 mm和12 mm，寬度均為400 mm，長度均為1 350 mm，編號分別為S1、S2、S3，模型的幾何參數(shù)如表1所示。鋼板兩端焊有半開口的箍筋作為相應(yīng)位置墻肢水平箍筋。連梁縱筋以及箍筋的配筋率均取適中值。幾何尺寸及橫截面配筋如圖2所示。ADINA中的結(jié)構(gòu)模型由三部分組成，分別是墻肢，連梁混凝土和鋼板及鋼筋。

表1　連梁幾何尺寸參數(shù)

圖2鋼板連梁幾何模型

Fig.2Steel plate-reinforced coupling beams

1.2材料模型及單元類型

采用ADINA軟件建立有限元數(shù)值分析模型。由于軟件中提供的concrete模型計算效果不理想，因此混凝土近似采用elastro-plastic中multi-linear彈塑性本構(gòu)關(guān)系。在定義混凝土材料時根據(jù)給定數(shù)據(jù)點，利用一系列直線平滑逼近彈塑性應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系。鋼板和鋼筋均采用bilinear彈塑性本構(gòu)關(guān)系模型?；炷?、鋼板和鋼筋的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系如圖3所示：

(a) 混凝土

(b) 鋼板和鋼筋

圖3材料應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系

Fig.3The stress-strain relationship of material

混凝土結(jié)構(gòu)和鋼板均采用3-D Solid單元，鋼筋采用Truss單元中的Rebar單元，在Rebar中添加代表鋼筋的直線，在混凝土solid單元劃分時自動生成rebar單元，構(gòu)成組合式有限元模型[11]。因為在連梁鋼板的表面設(shè)置了栓釘，使混凝土與鋼板在接觸面上的滑移量很小或基本沒有滑移，因此采用face-link將混凝土與鋼板的接觸面相連接[11]。各材料力學(xué)性能參數(shù)見表1和表2。

表2　C30混凝土單向應(yīng)力狀態(tài)下力學(xué)性能參數(shù)(標(biāo)準(zhǔn)值)

表3　鋼筋與鋼板力學(xué)性能參數(shù)(標(biāo)準(zhǔn)值)

將模型進行自由網(wǎng)格劃分,劃分之后的模型有限元網(wǎng)格圖見圖4。

1.3加載方案

采用低周往復(fù)加載的方式，如圖5所示，用位移控制加載，這樣可以反映出連梁的剛度退化性能、延性、耗能性能、承載力性質(zhì)等反映抗震性能指標(biāo)的變化。

圖4有限元網(wǎng)格圖

Fig.4Finite element mesh graph

圖5低周往復(fù)加載位移時程曲線

Fig.5Displacement time history of low-frequency cyclic loading

2計算結(jié)果及分析

在往復(fù)加載條件下，累積塑性應(yīng)變(accum_plastic_strain)從一個側(cè)面反映材料累積損傷程度及耗能數(shù)值?；炷恋暮哪苣芰Σ睿虼似淅鄯e塑性應(yīng)變反映了其破碎的程度(受拉開裂及受壓破碎)，而鋼板累積塑性應(yīng)變主要是反映了耗能數(shù)量的大小(受拉及受壓兩個方向硬化做功)。對于鋼筋，最主要的變形指標(biāo)是受拉軸向應(yīng)變(包括彈性應(yīng)變與塑性應(yīng)變兩部分)，若超過0.025(材料模型設(shè)定)則表示鋼筋已拉斷。

試件S1、S2、S3的部分計算結(jié)果如下：在連梁混凝土與鋼板圖中，黑色色區(qū)域表示累積塑性應(yīng)變值εaps>0.08。在鋼筋圖中，以垂直于鋼筋軸線的線段長度代表鋼筋的軸向應(yīng)變值。

隨著加載位移的增大，試件混凝土及鋼板的累積塑性應(yīng)變也隨之增加，從圖6，圖7和圖8可以看出，在所指定的塑性應(yīng)變水平下，不同鋼板厚度時，連梁混凝土塑性應(yīng)變的分布是類似的，鋼板塑性應(yīng)變分布則有區(qū)別。隨著鋼板厚度的增大，累積塑性應(yīng)變超過0.08的區(qū)域也有減小的趨勢。試件S2、S3加載至60 mm時，連梁鋼板的中部已不再出現(xiàn)相應(yīng)水平的塑性應(yīng)變，僅在連梁四角位置出現(xiàn)少量的累積塑性應(yīng)變，說明隨著鋼板厚度的增大，鋼板本身的損傷也減少了，因此鋼板的延性增加。也可以看出，鋼板累積塑性應(yīng)變大于0.08的區(qū)域遠小于連梁混凝土中相應(yīng)的區(qū)域，說明鋼板有進一步變形的潛力，具有延性與耗能能力的儲備，因此設(shè)置鋼板以后連梁的潛在延性及耗能能力增加了。

圖6　試件S1混凝土、鋼板及鋼筋累積塑性應(yīng)變

圖7　試件S2混凝土、鋼板及鋼筋累積塑性應(yīng)變

圖8　試件S3混凝土、鋼板及鋼筋累積塑性應(yīng)變

圖9　試件滯回曲線

也可以看出連梁縱筋幾乎沒有塑性應(yīng)變產(chǎn)生，而墻肢鋼筋的塑性應(yīng)變值較低，說明鋼板對墻肢箍筋的影響較小，保證了墻肢箍筋對縱筋及混凝土的約束作用。

從圖9可以看出，三種鋼板厚度時滯回曲線均較為飽滿，說明鋼筋混凝土—鋼板組合連梁具有較好的耗能能力。

因為混凝土近似采用了多線彈塑性材料，因此圖9中可能反映不出試件剛度退化的性質(zhì)。但是從圖9中也可以看出，在加載位移40 mm之前，指定的鋼板累積塑性應(yīng)變區(qū)域很小，因此鋼板的應(yīng)變大部分為彈性應(yīng)變，而鋼板的彈性模量為混凝土彈性模量的7～8倍，因此可以推斷連梁不會發(fā)生明顯的剛度退化，也有進一步承擔(dān)荷載的能力(40～60 mm，位移增加20 mm)，表現(xiàn)出較好的延性。

3結(jié)語

①混凝土—鋼板組合連梁中，鋼板的厚度對混凝土的變形影響較小，連梁混凝土?xí)l(fā)生較大范圍的開裂與破碎。

②鋼板主要發(fā)生彈性變形，累積塑性應(yīng)變值較大的范圍遠小于連梁混凝土中的范圍，可以預(yù)期混凝土—鋼板組合連梁不會發(fā)生明顯的剛度退化現(xiàn)象。

③連梁滯回曲線較為飽滿，具有較好的耗能特性。

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(責(zé)任編輯唐漢民梁碧芬)

Seismic performance study for welding stirrups steel plate composite beams with ADINA

FU Teng, WANG Xing-guo, GE Nan, CHEN Hai-bin

(North China University of Science and Technology，Hebei Earthquake Engineering

Research Center,Tangshan 063009,China)

Abstract:In order to study the influence of steel plate thickness upon the seismic performance of reinforced concrete-steel plate composite beams, numerical models for the beams were presented with finite element software ADINA. Results show that the seismic performance could be improved with the increase of steel plate thickness or steel ratio. A relative small thickness will lead to inadequate ductility and energy dissipation capability, while a large thickness lead to diseconomy and inconvenience in reinforcement arrangement. It is necessary that a reasonable steel plate thickness is determined to reach the optimized effectiveness.

Key words:steel ratio; steel plate composite coupling beam; finite element analysis; dissipation performance

中圖分類號：TU312+.1

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-7445(2016)01-0091-08

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0091

通訊作者：王興國(1966—)，河北唐山人，華北理工大學(xué)教授，工學(xué)博士；E-mail：tslgwxg@163.com。

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51378170;51478162);河北省重點項目(14965406D)

收稿日期：2015-11-20；

修訂日期：2015-12-30

引文格式：富騰,王興國,葛楠,等.基于ADINA的焊接箍筋鋼板連梁抗震性能研究[J].廣西大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2016，41(1)：91-98.