钢管混凝土异形柱框架结构抗震性能分析.pdf
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1、2023年第9期(总第429期)工程设计钢管混凝土异形柱将混凝土填充在钢管内,通过竖向钢板完成多个钢管混凝土柱之间的连接,并按照一定间隔用横向加劲肋板进行加固形成的1,其截面形状为不规则状态,例如T型、L型以及Z型和混合型等。钢管混凝土异形柱在建筑中应用性较好2,采用该异形柱作为建筑框架结构,施工后美观性较好,同时具有良好的承载性能3,可极大程度减轻结构自身重力;并且该类框架结构在施工和安装时,节能环保、施工效率较高4,能提升土地的使用效率,同时抗震性能和耐火性良好。因此,钢管混凝土异形柱框架结构已在当下住宅建筑中广泛应用,例如工业厂房、多高层建筑以及超高层建筑等。因为钢管混凝土异形柱框架结构
2、是多个部分焊接、连接形成,在应用过程中,受到外力作用后,其力学变化情况较为复杂5;并且异形柱界面具有不规则的特殊性,用于建筑框架后的抗震性能尤为关键;该性能决定该类框架结构施工后,能否保证建筑在地震条件下的安全性6。本文主要针对钢管混凝土异形柱框架结构抗震性能展开相关分析,为该类框架结构的应用提供相关依据。1钢管混凝土异形柱框架结构抗震性能1.1钢管混凝土异形柱框架结构试件制备本文为分析钢管混凝土异形柱框架结构的抗震性能,设计3个钢管混凝土异形柱框架结构试件,该试件形状为H型钢梁框架-人字形中心支撑结构,三个试件分别用S1、S2、S3表示,试件设计参数如表1所示。表1设计参数详情参数详情轴压比
3、支撑形式跨度/mm试件类别S10.25双人形2475S20.3S30.35按照表1的设计参数完成试件制备,制备时混凝土等级为C30,制备的框架中两主节点为外肋环板节点,异形柱中钢管的截面边长为78mm,竖向连接板和异形柱高度一致,横向肋板尺寸为78mm35mm5mm。三种试件结构立面图相同,如图1所示。制备的3种试件在轴心压力作用下,异型柱截面的受压承载力用Nu表示,其计算公式为:Nu=m(fyAs+fcAc)(1)式中m表示钢管混凝土异形柱中单肢柱的数量;fy和fc分别表示钢管屈服应力和混凝土抗压强度;As和Ac均表示截面面积,前者对应单肢柱钢管,后者对应混凝土。制备的3种试件中钢材料的相关
4、物理性能参数如表2所示,该物理参数是以 金属材料拉伸试验 相关标准进行试验后得出。表2钢材料的相关物理性能参数材料名称60mm60mm4mm方钢75mm75mm4mm方钢75mm75mm5mm方钢钢梁腹板钢梁翼板支撑节点板5mm竖向连接板屈服应力/MPa357.06355.12360.24316.89294.96298.06367.05极限应力/MPa422.03422.01429.89454.13446.98446.98551.12弹性模量/MPa1.851.841.841.941.831.921.77制备完成的3种试件均位于相同条件下养护,养护时间为28d,到达养护时间后,取出置于正常室温
5、环境中备用。1.2加载装置和加载方案钢管混凝土异形柱框架结构抗震性能分析王述超(信阳师范学院,河南信阳464000)摘要:为研究钢管混凝土异形柱框架结构抗震性能,制作S1、S2、S3共3种轴压比的钢管混凝土异形柱框架结构试件,利用加载装置测试试件在循环荷载下的形变和应力变化情况,计算试件的延性、强度退化、刚度退化、承载力退化以及循环能耗,分析试件的抗震性能,并且采用ABAQUS有限元模型分析试件的应力变形情况。结果显示:综合计算和分析后,S3的整体抗震性能最佳,满足抗震需求。关键词:钢管混凝土;异形柱;框架结构;抗震性能中图分类号:TU398+.9文献标识码:A文章编号:1001-6945(2
6、023)09-83-03图1 试件结构立面图2023年第9期(总第429期)工程设计为衡量试件在荷载下的承载能力,文中采用加载装置进行试件加载试验,该加载装置结构如图2所示。该装置在进行试件加载试验时,利用千斤顶向试件施加恒定的竖向载荷;通过千斤顶上方的滑动支座,保证试件测试时框架和加载梁之间自由移动。在试件顶部施加拉压千斤顶,以此提供侧向水平循环作用力。试验时为掌握试件在载荷作用下整体变形、各个节点位置的应力变化情况,在试件顶部安装位移传感器,采集框架结构的侧向变形结果;在梁柱节点区、混凝土构件表面安装应变传感器采集静态应变结果;并利用裂缝宽度测量仪测定混凝土开裂情况。加载装置在进行试件试验
7、加载时,以 建筑抗震试验方法规程(JGJ 101-96)为标准设定循环加载方案,如图3所示。在正式加载前,先对加载装置进行两次循环荷载施加,检查装置的使用情况,确定装置能正常使用后,进行试件的预加载。在该过程中,试件顶部轴力设为50%No,其中,No表示试验过程中试件柱顶施加的轴力。在试件发生屈服前水平加载采用力控制,并实行荷载等级划分,共设为5个等级,分别为0.2Foy、0.4Foy、0.6Foy、0.8Foy以及1.0Foy,通过五个等级的施加,直到屈服荷载;试验过程中每个等级的荷载循环两次,每次循环施加至峰值后,维持3min,当位移传感器和应力传感器完成数据采集后,进行荷载卸载。在整个加
8、载过程中,持续荷载下降至峰值荷载的85%时,停止测试,标志试件发生破坏。1.3性能计算本文为精准分析钢管混凝土异形柱框架结构的抗震性能,采用延性、强度退化j、刚度退化j、承载力退化j4个指标进行衡量,上述指标能够描述试件破坏前,承受的最大后期变形能力、损伤造成的强度下降、刚度情况以及承载能力等,上述指标均是描述框架结构抗震性能的重要指标。=uy(2)j=FnjF1j(3)j=i=1nPiji=1nUij(4)j=Pj,2Pj,1(5)式中u和y均表示位移,前者为极限状态,后者为屈服状态下;j表示荷载等级,在该级别下,第一次和最后一次循环时的最大荷载分别为F1j和Fnj;在该级别下的第i次循环时
9、,侧向水平荷载和水平位移两种峰值分别用Pij和Uij表示;在该等级下第一次和第二次加载循环的峰值荷载分别用Pj,1和Pj,2表示。在分析钢管混凝土异性柱框架结构的抗震性能时,仅依靠上述4个指标完成,则分析结果存在一定局限性,无法全面掌握该框架结构的全面抗震能力,还需计算框架结构的循环能耗。是荷载-位移曲线的包围面积,其能够描述试件在循环水平荷载下消耗的能量,滞回曲线的饱满程度越佳,表示试件能耗性能越佳,在地震作用下的破坏概率越低,荷载-位移曲线的包围面积如图4所示。图3 水平荷载加载制度图2 加载装置结构图4 荷载-位移曲线的包围面积示意图2023年第9期(总第429期)工程设计的计算公式为:
10、=SABC+SCDASOBE+SODF(6)式中SABC、SCDA、SOBE、SODF分别表示不同曲线形成的包围面积。1.4有限元模型分析为分析钢管混凝土异性柱框架结构在荷载下的应力变形情况,本文采用ABAQUS有限元软件构建该结构的有限元模型,模型的各个构件采用C3D8R单元进行三维实体构建;试件中的混凝土通过该软件的塑性损伤模型构建;钢结构则采用弹性单元构建。对钢管和混凝土设定法向和切向约束;框架结构置于加载基础梁上,同时在梁的底部施加完全固结约束。并依据耦合约束设定参考点,实现各个垫板表面的约束,以此施加竖向、水平两种荷载和位移。为保证钢管混凝土异性柱框架结构模型的构建效果,采用映射网格
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