型钢混凝土转换柱段的抗震性能研究.pdf
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1、浙江 建筑 , 第 2 7卷 , 第 9期 , 2 0 1 0年 9月 Z h e j i a n g C o n s t r u c t i o n,Vo 1 2 7,N o 9,S e p 2 0 1 0 型钢 混凝土转换柱 段 的抗震性 能研究 St u d y on s e i s mi c p e r f or man c e o f SRC t r a n s i t i on a l c o l u m s e c t i o n 赵 滇 生 , 王 淇 , 刘 帝祥 Z HA0 Di a n s h e n g,WA NG Qi ,HU Di x i a n g ( 浙 江工业
2、 大学 建筑工程学院 , 浙江 杭州 3 1 0 0 3 2 ) 摘 要 : 在高层 、 超高层等钢结构 中 , 从 十字形柱向箱形柱过 渡的转换 柱段较 为常见 , 在此应 用通用 有限元 程序 AN S Y S模 拟 分析了十字形钢柱腹板伸人箱形柱 内的转换 段长度 、 剪跨 比、 轴压 比、 配箍率 等参数对转 换柱段 的抗震 性能及 延性 的影响。对 比 分析了不同模型的滞 回曲线 , 得 出各 自的位移延性系数和等效粘滞阻尼 系数 。 关键词 : 型钢混凝土转换柱段 ; 抗震 性能 ; 延性性能 ; 滞 回特性 中图分类号 : T U 3 9 8 9 文献标识码 : A 文章编号 :
3、 1 0 0 83 7 0 7 ( 2 0 1 0 ) 0 9 0 0 1 1 0 4 1 9 7 8年 6月发 生在 日本 宫 城 县 的地 震 中 , 部 分 S R C建 筑物 中柱 子 产 生 了剪 切 斜 裂 缝 , 但 主 体结 构 受 到损 害不 大 , 而 一 些 R C结 构 和部 分 钢 结 构 遭 到 了严 重 破坏 , 充 分说 明 S R C结构 具 有 良好 的 延 性 和 抗震 性 能 。加 上 S R C结 构 具 有 良好 的 防 火 防腐 性 能 , 在 多高 层建 筑 、 超高 层 建筑 及 大跨 建筑 中得 到 广 泛 应用 。结 构 物 的变 形 能
4、力 、 耗 能 性 能 即 结 构 物 的 延 性是 抗震 性 能 的重要 指 标 , 研 究 人 员 对 S R C结 构 的延性 进行 了大量 的理 论 和试 验 研 究 , 重 点 是 最 大 强 度后 的延 性 和滞 回特 性 研 究 。 在 S R C S竖 向 混 合 结构 中常用 十字 形钢 柱 向箱 形 钢柱 过渡 的转 换 柱 段 , 其 相关 研究 资 料 和成 果 目前 尚不 多见 。本 文 利 用 A N S Y S程 序 对带 转 换 节 点 的转 换 柱 段 和 十 字 柱 的抗震 性 能进行 分 析 , 研 究 了轴 压 比 、 剪 跨 比 、 配 箍 率 、 十
5、 字柱 腹板 伸 入 箱 型 柱 内的 长 度 等 参 数 对 转 换 节 点抗 震 性能 和延 性 的影 响 。 1材 料 模 型 和 单 元 类 型 1 1 钢材 和 混凝 土材 料模 型 考 虑 钢 材 的 B a u s c h i n g e r 效 应 , 数 值 模 拟 中 型 钢 、 纵筋 、 箍 筋和 刚性 垫板 均采用 双 向随 动强化 模 型 , 单 轴 一 关 系 为理 想 弹 塑 性模 型。混 凝 土 材 料 采 用等强硬化模型 , 破坏准则采用 Wi l l i a m Wa r n k e 五参 数 破坏准 则 。 材料 选 用 : 型 钢 钢 材 牌 号 用 Q
6、 3 4 5 , 纵 筋 种 类 用 H R B 4 0 0 , 箍筋种类用 H P B 3 3 5 , 混凝 土强度等级用 C 5 0 。 有限元 单元类 型 : 混凝 土采用 s o l i d 6 5实体单 元 , 型钢 、 刚性 垫 板 采 用 s o l i d 4 5实 体 单 元 , 纵 筋 、 箍 筋采 用 l i n k 8杆 单元 。 1 2模 型介 绍 建立 有 限元模 型 时不 考 虑型 钢与 混凝 土之 间 的 滑移 , 即认 为型钢 与 混凝 土协 同工 作共 同受力 , 不 发 生粘 结滑 移 破坏 。模 型 中所用 的柱子 横截 面几 何 尺 寸及 配钢 形 式
7、见 图 l 。根据 对 称 性取 一半 结 构 模 型 计算 , 既 可减 少计 算 工作 量 , 又保 留 1 4对 称性 便 于 校对 。柱 高 h取 实 际 工 程 中楼 层 的 一 半 , 近 似认 为 反 弯点 在柱 子 的 中点 。 为研 究 轴压 比 、 剪 跨 比、 配箍 率 、 十 字 柱 腹 板 伸 入箱型柱内的伸人长度等参数对转换柱段抗震性能 和延 性 的影 响 , 本 文 建 立 了 1 O个 分 析 模 型 , 参 数 见 表 1 。所 有模 型含 钢率 P : a A均 取 4 5 2 , 混 凝 土 强度 等级 均用 C 5 0 。 收 稿 日期 : 2 0 1
8、00 32 5 作者简介 : 赵滇生( 1 9 5 7 一 ) , 男 , 浙江义 乌人 , 副教授 , 研究方向为钢结构 、 空 间结构 。 1 2 浙江建筑 2 0 1 0年第 2 7卷 图 1转 换 柱 段 模 板 图 表 1 模 型 编 号 及 其 主 要 参 数 注 : 表中: 一 十字形钢柱的截面高度 ; 一 十字形柱段模型高度 ; 6 一 型钢混凝 土柱 的截面 高度 ; p 一施 加在柱 段模 型顶 部 的轴 向压 力 ; A 一 同一截 面内的竖向分布钢筋的截 面面积 ; S h 一竖 向分布钢筋 间 距 ; A A 混凝 土、 型钢 的截 面面积 ; 一混 凝土抗 压强 度
9、设计 值 、 型钢的抗压、 抗拉 、 抗弯强度设计值。 喜 _, 0 0 5 0 1 0 1 0 m m 1 0 ( a ) l 罢w 0l 1 0 l 0 mm ( c )Z - 5 0 1 o 1 0 m m f b 1 Z 2 1 , 1 0 o 1 0 mm 1 3 水平低 周反 复荷 载处理 试件 作用 轴 压 力 P后 施 加 水 平 低 周 反 复 荷 载 日, 荷 载 随时 间 变 化 , 在 A N S Y S中属 于 瞬 态 动 力 学 分析 , 亦称 时 间历 程 分 析 , 以确 定 结构 在 静 荷 载 、 瞬 态荷载和简谐荷载的任意组合作用下随时间变化的 位移 、
10、应 变 、 应力 和力 等性能 。 瞬态动力学分析需要将荷载对时间的关系曲线 划分 成 适 当 的 荷 载 步 。在 荷 载 、 时 间 曲 线 每 一 个 “ 拐角 ” 都应 该作 为一 个荷 载 步 , 图 2为 本 文 的荷 载 步形 式 。分析过 程 中采用 位移控 制加 载 。 2 0 1 0 昌 曩o l O 2 0 A i V V 1l7 图 2加载制度 2 滞 回曲线性态分析 结构在 循环 往复荷 载作 用下 的荷 载 一变形 曲线 能够 反 映结构 刚度 退化 、 强度 衰减 、 耗能 能力及 延性 等结 构抗 震性 能 的综 合 特 征 , 也是 进 行 结 构 弹塑 性
11、地震 反应 分析 时确定 恢复 力特 征 的主要 依据 。本 文 用 A N S Y S模 拟分 析 得 到 的 十字 形 型 钢柱 转 箱 型 型 钢柱 的不 同转换 柱段 模 型 的滞 回 曲线 见 图 3 。日 为 图 1中施 加 在转 换 柱段 模 型 顶端 的水 平力 , 为转 换 柱段模 型顶 端截 面形 心 的位移 。 一 v o l 0 , 一 l 0 mm ( c ) 考 l o 1 0 mm 国27 图 3转换柱段的滞 回曲线 喜 。 。 0 1 0 , l 0 mm 佃Z - 4 耄 。 1 1 0 1 0 mm 第 9期 赵滇生等: 型钢混凝土转换柱段的抗震性能研究 1
12、 3 分 析 图 3的 日一曲 线 , 可 以看 出如下 特 点 : ( 1 ) 伸入 长度 Z 的影 响 。 图 3 ( a ) 、 ( b ) 和 ( C ) 是 伸人 长 度 Z 递增 而轴 压 比 、 剪跨 比 、 配 箍 率 等其 他 条 件 都相 同 的转换 柱 段 的滞 回 曲线 , 可 以明显 看 出 , 随 着 伸入 长度 z 增 加 , 滞 回 曲线趋 于饱 满 、 滞 回环 面积 增 大 , 抗 震 性能 更好 。图 ( b ) 和 ( C ) 的滞 回性 能 差别 不 如 图 ( a ) 和 ( b ) 滞 回性 能 曲线 的差 别 明显 , 说 明伸 人 长度 增 加
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