馮建龍 王甜甜
摘 要:本文提出了一種帶拉條T形型鋼混凝土異形柱,在低周反復(fù)荷載作用下研究了其抗震性能。通過有限元軟件ABAQUS,選用合理的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,對不同參數(shù)下的試件進行模擬。根據(jù)有限元結(jié)果,分析了混凝土強度等參數(shù)對試件的滯回曲線、骨架曲線等的影響。結(jié)果表明,不同等級混凝土的該形式異形柱均具有較高的承載力,較好的變形能力和耗能能力,表明該形式的異形柱滯回性能良好。
關(guān)鍵詞:低周反復(fù)荷載;帶拉條T形型鋼混凝土異形柱;有限元分析
隨著我國建筑工業(yè)化發(fā)展速度不斷加快,傳統(tǒng)的鋼筋混凝土柱因自重大、施工耗時長,且會對水、樹木等資源造成浪費,并容易產(chǎn)生粉塵、噪音等污染,已不再完全符合人們對高品質(zhì)居住建筑的要求。型鋼混凝土異形柱結(jié)構(gòu)具有承載力高、塑性變形能力好、抗震性能好等優(yōu)點,在工程上應(yīng)用的越來越廣泛。為解決傳統(tǒng)型鋼混凝土異形柱存在的問題,本文在已有相關(guān)試驗和理論研究的基礎(chǔ)上[1-5],提出了一種帶拉條T形型鋼混凝土異形柱:異形柱兩端為方鋼管,中間為具有內(nèi)折部分的連接鋼板,由拉條焊接連接,兩端與方鋼管焊接為整體,異形柱內(nèi)部澆筑混凝土。
本文利用有限元分析軟件ABAQUS,通過改變軸壓比、剪跨比、混凝土強度等參數(shù),對3個帶拉條T形型鋼混凝土異形柱模型在往復(fù)荷載作用下的承載力和抗震耗能性能進行了分析和研究,旨在為帶拉條T形型鋼異形柱結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供參考。
1有限元模型分析
1.1 模型設(shè)計
本文共確立了3個帶拉條T形型鋼混凝土異形柱試件,截面形式如圖1所示。方鋼管與拉條綴板采用Q345-B級鋼,彈性模量為E=2.05×105MPa ,泊松比取為0.25,質(zhì)量密度為7800kg/m3,厚度分別為3mm;混凝土強度等級分別為C30、C40、C50,彈性模量分別為E=3.0×104MPa 、E=3.20×104MPa 、E=3.35×104MPa ,泊松比取為0.2,質(zhì)量密度為2400kg/m3。軸壓比取0.3,剪跨比取1.5。
1.2加載制度
有限元模型的加載過程分為2個荷載步,首先施加豎向荷載,按預(yù)定的軸壓比進行加載,并在整個加載過程中保持豎向荷載不變;水平加載采用全過程位移控制。
1.3本構(gòu)模型
混凝土的本構(gòu)模型采用文獻[6]中建議的σ-ε曲線,忽略核心混凝土和型鋼及拉條綴板之間的粘結(jié)滑移。方鋼管內(nèi)的核心混凝土在受力過程中對鋼管起到一定的約束作用,使得鋼管的承載力增強。故本文選用文獻[7]建立型鋼的σ-ε本構(gòu)模型。
1.4網(wǎng)格劃分
試件的混凝土單元和鋼骨單元均采用8節(jié)點三維實體單元(C3D8R)。異形柱頂部與加載梁之間采用綁定約束(Tie),異形柱底部采用完全固接約束。各節(jié)點均包括Ux 、Uy 、Uz 、URx 、URy 、URz 六個自由度,使用減縮積分方式,效果良好。
2結(jié)果分析
2.1破壞特征
從模擬后的3組變形云圖中選取第1組變形比較明顯的試件來分析破壞形態(tài)的具體表現(xiàn)。其破壞特征主要體現(xiàn)在:加載初期,各試件外形并無明顯變化;隨著水平位移的不斷增大,各試件漸漸發(fā)生屈曲;在受壓側(cè)柱腳的肢端最外緣區(qū)域鋼管發(fā)生越來越明顯的起鼓現(xiàn)象,拉條內(nèi)部的核心混凝土壓碎直至少量從鋼管裂縫處擠出。
2.2滯回性能
滯回曲線是試件抗震能力的綜合體現(xiàn)。根據(jù)圖6能夠得出各組試件的滯回曲線形狀豐盈、沒有捏攏現(xiàn)象,反映出帶拉條T形型鋼混凝土異形柱抗震性能良好。
對不同混凝土等級的帶拉條T形異形柱構(gòu)件進行分析對比,有限元分析所得滯回曲線如圖6所示,強度越高,試件滯回性能越好。
從圖7可以看出,不同強度混凝土對試件骨架曲線的影響,對比較為明顯,混凝土強度對試件的承載力以及剛度有較大影響,等級越低,試件的承載力越低,剛度越小。
3總結(jié)
通過有限元軟件ABAQUS模擬不同參數(shù)下十字形鋼骨混凝土異形柱的滯回性和骨架曲線,得到如下總結(jié):
(1)在不同混凝土強度等級下,該形式的異形柱滯回曲線均較為飽滿,穩(wěn)定性較好,表明其塑性變形能力和耗能能力良好。
(2)改變核心混凝土的強度對帶拉條T形型鋼混凝土異形柱的抗震性能有明顯提升。
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