型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)的抗震性能研究

郝海燕 劉驍驍

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)與一般的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，兩種結(jié)構(gòu)都是由鋼材與混凝土結(jié)合而成，不同之處在于：型鋼混凝土內(nèi)部填充的是型鋼，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)則是在內(nèi)部有規(guī)律的填充鋼筋。目前，國內(nèi)外學(xué)者主要針對型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)（以下簡稱SRC結(jié)構(gòu)）的性能進(jìn)行了研究[1～3]。例如，文獻(xiàn)[4]采用三維有限元軟件建立合理的節(jié)點模型，考慮節(jié)點受力性能在不同因素下的影響。文獻(xiàn)[5]分析混凝土的力學(xué)行為，利用混凝土損傷塑性，研究了混凝土強(qiáng)度、型鋼強(qiáng)度與含鋼率對軸壓受力狀態(tài)下型鋼混凝土構(gòu)件的承載力與破壞情況。文獻(xiàn)[6]指出：在荷載達(dá)到80%極限載荷后型鋼與混凝土?xí)l(fā)生明顯的粘結(jié)滑移。

現(xiàn)有研究大多將結(jié)構(gòu)視為整體，忽略型鋼與混凝土兩種不同材料之間的粘結(jié)滑移對結(jié)構(gòu)整體抗震響應(yīng)的影響。針對地震作用下型鋼參數(shù)變化對型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)抗震性能的影響研究更為匱乏。為此，本文考慮了型鋼與混凝土之間的粘結(jié)滑移，建立了整體SRC組合結(jié)構(gòu)而非構(gòu)件，進(jìn)而研究型鋼翼緣寬度比變化對SRC組合結(jié)構(gòu)的抗震性能影響。將一榀框架作為算例，施加罕遇地面運動，對SRC組合結(jié)構(gòu)的抗震性能在型鋼參數(shù)影響下進(jìn)行了詳細(xì)的研究，得出一定的結(jié)論，為實際工程的抗震設(shè)計提供理論支撐。

1 SRC結(jié)構(gòu)的有限元仿真

本文研究對象為一榀、一層兩跨SRC結(jié)構(gòu)，柱和梁分別為型鋼混凝土構(gòu)件和鋼筋混凝土構(gòu)件。SRC結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：層高3.9m，跨度為4.8m，柱和梁的截面尺寸分別為500mm×500mm和350mm×500mm，混凝土的強(qiáng)度等級設(shè)為C35，型鋼柱混凝土的保護(hù)層厚度設(shè)為50mm，鋼筋與型鋼鋼材為Q235級?；趯嶓w力鋼筋法，型鋼混凝土柱的整體式模型采用有限元軟件ANSYS建立，即，鋼筋混凝土和型鋼通過實體單元來模擬。鋼筋混凝土通過SOLID65模擬，型鋼通過SOLID45模擬，非線性彈簧單元COMBIN39模擬型鋼與混凝土之間的滑移。

2 不同型鋼翼緣寬度比對SRC結(jié)構(gòu)抗震性能的影響

根據(jù)相關(guān)研究可以知道，型鋼混凝土構(gòu)件中型鋼翼緣對構(gòu)件粘結(jié)性能的影響較大，應(yīng)作為研究粘結(jié)滑移時的主要考慮對象。因此，在將型鋼用于型鋼構(gòu)件中時，應(yīng)盡量使用寬翼緣的型鋼，這樣內(nèi)部混凝土的約束作用可進(jìn)一步加強(qiáng)，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。表1給出翼緣寬度比不同時結(jié)構(gòu)柱截面示意圖以及型鋼翼緣寬度比參數(shù)變化。

表1 型鋼翼緣寬度比參數(shù)變化表

根據(jù)表2～3可得，隨著翼緣寬度比的增大，型鋼結(jié)構(gòu)整體的應(yīng)變變形隨著時間增長而減?。灰砭墝挾鹊脑龃髮π弯摳邚?qiáng)混凝土柱的約束范圍加大，翼緣寬度向各自兩邊的延伸部分將周圍混凝土緊緊的包圍，減小了混凝土因為外力作用而出現(xiàn)的裂縫的延伸速度，加大了對外力的抵抗作用，混凝土的性能被充分發(fā)揮。因此，翼緣寬度比的增大使得SRC組合結(jié)構(gòu)的剛度增大，抗震性能提升。

表2 地震動作用下結(jié)構(gòu)的位移峰值

表3 地震動作用下結(jié)構(gòu)的加速度峰值

3 結(jié)論

本文通過有限元軟件建立考慮粘結(jié)滑移的型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)。采用一榀框架作為算例，通過對結(jié)構(gòu)輸入水平向地震動作用，模擬結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的響應(yīng)。結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)內(nèi)部型鋼參數(shù)的微小變化可對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的影響，但由于型鋼的存在，能夠在某種程度上提高混凝土的抗壓抗拉強(qiáng)度，兩者共同工作可提高結(jié)構(gòu)整體的剛度與延性。

[1]國君，王琨.型鋼混凝土組合梁柱框架抗震性能數(shù)值模擬[J].四川建筑科學(xué)研究，2013，39（4）：186～189.

[2]封 南.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有限元分析的建模[J].山西建筑，2010（20）：63～65.

[3]徐亞豐，張 麗，E.SysoevO，etal.碳纖維鋼骨-鋼管混凝土柱非線性有限元分析[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012，28（1）：51～59.

[4]王繼武.型鋼混凝土框架梁柱節(jié)點受力性能有限元分析[D].重慶交通大學(xué)，2009.

[5]李建清.型鋼混凝土柱受力性能有限元分析[D].武漢大學(xué)，2005.

[6]趙鴻鐵.鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)[M].北京：科學(xué)出版社，2001.