型钢混凝土组合框架力学性能非线性分析.pdf
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1、第 3 1卷 第 4期 2 0 1 4年 1 2月 建筑科 学与 J o u r n a l O f Ar c h i t e c t u r e 工程 学报 a n d Ci v i l En g i n e e r i n g Vo 1 3 l NO 4 De e 2 01 4 文 章 编 号 : 1 6 7 3 2 0 4 9 ( 2 0 1 4 ) 0 4 0 0 8 7 1 0 型钢混凝土组合框架力学性能非线性分析 袁沈峰 , 王 琨 , 曹大富 , 郑文忠 ( 1 扬 州大学 建筑科学 与工 程学院 , 江苏扬州 2 2 5 1 2 7 ; 2 哈尔滨工业 大学土木工程学 院 ,
2、黑龙江哈尔滨 1 5 0 0 9 0 ) 摘 要 : 在 充分 考虑 混凝 土损 伤 、 材 料 非线性 及 单元 类 型 的基础 上 , 建 立 了由预 应 力 ( 非 预 应 力) 型钢 混凝 土 梁及 角钢混凝 土柱构 成 的型钢 混凝 土组 合框 架有 限元 模 型 , 对 其在 水 平 荷 栽作 用 下的 力 学 性 能进 行数 值 分析及 试 验对 比验 证 。在 此 基础 上 , 进 一步研 究 了水 平荷 载作 用下 组合 框 架 受 力 的 全过程 , 并对影响此类框架力学性能的主要 因素进行 了参数敏感性分析。结果表 明: 组合框架在 梁 端和 柱底部 均 出现 塑性铰 ,
3、 能 实现 “ 强柱 弱梁” 的破 坏机 制 ; 随着轴 压 比增 大 , 水平 荷 载一 位 移 曲线峰 值 荷 载先 增加后 减 小 , 峰 值荷 载 对应 的位 移减 小 , 延性 降低 ; 随 着 长 细 比增加 , 结构 刚度 降低 , 峰 值 荷 载 减 小 , 延性 增加 。 关键词: 型钢混凝土梁 ; 角钢混凝土柱 ; 有限元 ; 力学性能; 峰值荷栽 中 图分类 号 : TU3 7 5 1 文 献标 志码 : A No nl i n e a r An a l y s i s o f M e c ha ni c a l Pr o pe r t y f o r S t e e l
4、 Re i nf o r c e d Co nc r e t e Co mpo s i t e Fr a m e S t r u c t u r e YU AN Sh e n f e ng ,W A NG Ku n ,CAO Da f u ,ZH ENG W e n z ho ng 。 ( 1 S c h o o l o f Ci v i l S c i e n c e a n d En g i n e e r i n g,Ya n g z h o u Un i v e r s i t y ,Ya n g z h o u 2 2 5 1 2 7,J i a n g s u,Ch i n a ;
5、 2 S c h o o l o f Ci v i l En g i n e e r i n g,Ha r b i n I n s t i t u t e o f Te c h n o l o g y ,Ha r b i n 1 5 0 0 9 0,He i l o n g j i a n g,Ch i n a ) Abs t r a c t :A f i ni t e e l e me nt mod e l( FEM ) t o s i m u l a t e t he c o mpo s i t e f r a m e s t r u c t ur e c o mpo s e d of p
6、 r e s t r e s s e d (n o n p r e s t r e s s e d) s t e e l r e i n f o r c e d c o nc r e t e be a m a n d a ng l e s t e e l c o nc r e t e c o l u m n u nd e r h o r i z o n t a l l o a di n g wa s d e v e l o pe d by c ons i d e r i n g c on c r e t e da ma ge,ma t e r i a l no nl i ne a r i t
7、y a nd e l e me nt t y pe,a nd t he me c ha n i c a l p r op e r t i e s a c q ui r e d f r o m FEM we r e c o m p a r e d t o t e s t r e s u l t s Ac c o r d i ng t o FEM ,t he wh ol e f o r c e p r o c e s s of c o mpo s i t e f r a m e s t r u c t u r e un de r ho r i z o nt a l l o a di n g wa
8、s s t u di e d, a nd t he pr i ma r y f a c t o r s a f f e c t i ng t he me c ha ni c a l pr op e r t y o f t he f r a me s t r uc t ur e w e r e a na l y z e d The r e s u l t s s ho w t ha t t he pl a s t i c hi n ge s o c c ur a t t h e be a m e nd s a n d c o l u m n b ot t o m s , a n d t he f
9、 a i l u r e m e c h a ni s m of “s t r o n g c o l u mn a n d we a k c o l u m n” c a n be r e a c he d Fur t he r m o r e,wi t h i nc r e a s i ng o f t he a xi a l c o m p r e s s i o n r a t i o,t he u l t i ma t e l o a d o f h or i z o nt al l o a d d i s p l a c e me nt c u r v e s i nc r e a
10、 s e s f i r s t l y a nd t h e n de c r e a s e s , c o r r e s po nd i ng t o t he di s pl a c e me n t s d e c r e a s e a nd d uc t i l i t i e s d e pr e s s;wi t h i n c r e a s i n g of s l e n de r n e s s r a t i o, t h e s t i f f ne s s of s t r u c t ur e d e c r e a s e s,t he ul t i m
11、a t e 1 o a d r e du c e s an d t he d uc t i l i t y ge t s be t t e r Ke y wo r ds :s t e e l r e i nf or c e d c o nc r e t e b e a m ;a ngl e s t e e l c o nc r e t e c o l u m n;f i n i t e e l e m e nt ;me c h a ni c a 1 pr o pe r t y:u l t i ma t e l o a d 收稿 日期 : 2 0 1 4 0 6 1 3 基金项目 : 国家 自然
12、科学基金项 目( 5 1 2 7 8 4 4 5 ) ; 江苏省 自然科学基金青年项 目( B K2 0 1 4 0 4 8 9 ) ; 住房 和城 乡建设部科学技术计划项 目( 2 0 1 4 一 K2 0 3 5 ) ; 江苏省普通高校 自然科学研究项 目( 1 1 KJ B 5 6 0 0 0 6 ) 作者简介: 袁沈峰 ( 1 9 8 9) , 男 , 江苏如皋人 , 工学硕士研究生 , E ma i l : 8 9 4 7 2 5 5 8 2 q q c o r n 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 8 建 筑科 学与 工程 学报 2 0 1 4
13、丘 0 引 言 预应力 型钢混凝土组合框架具有承载力高 、 抗 震 性能 好及 裂缝 可控 等优 点 , 已在大跨 、 承重及 转换 结 构 中得到 了广 泛 的研究 与应 用口 。 。在此 基础 上 , 本 文 中结合 套建 增层 改造 实 践 经 验 , 提 出 了一 种 以 预 应力 型钢 混凝 土梁 作 为框 架 梁 , 以角 钢 混凝 土柱 作为框架柱 的新型预应力型钢混凝 土组 合框架结 构 。由于该结构在施工阶段可通过梁 内型钢承担施 工荷载和流态混凝土 自重 , 实现施工 阶段 白承重的 功能, 同时其预应力筋和喇叭管在框架节点内部布 置 相对 容易 , 节点 构造 简单 ,
14、已在 哈尔 滨南 岗会 堂增 层 改造 工程 中得 到 了应 用 。 目前 , 郑 文忠 等 已针 对此 类 组 合 框 架 结 构 开 展 了相关 试 验 研 究 , 并 采 用 Op e n E E S软 件 从 宏 观 层 面对此 类组 合 框 架 开 展 了滞 回性 能 分 析 。然 而 , 所 做 的试 验 在宏 观层 面虽然 能 给 出相 关参 数对 组合 框 架抗震 性 能 的影 响规 律 , 但 是 难 以从 组合 结 构 破 坏 过程 、 破坏 形态及 局 部微 观应 力 、 应 变状 态等 层面 进 行深 入研 究 。 为 此 , 本 文 中拟 依 据 试 验 结 果 基
15、于 AB AQ US 平台建立组合框架精 细化有限元模型, 考察框架在 水 平荷 载作 用下 的受 力全过 程 , 并对梁 柱端 混凝 土 、 型 钢及 纵筋 的微 观应力 、 应 变状 态进行 细致 分析 , 探 讨 组合 框架 在水 平 荷 载下 的受 力 机 理 , 并 进一 步研 究 不 同参 数对 组合 框 架荷 载一 位移 曲线 的影 响 , 其结 果可为相关研究和工程设计提供参考 。 1 数值模 型的建立 1 1基本 假定 基 本假 定如 下 : 钢筋 、 型 钢和 预应力 筋 与混凝 土 之 间完全 粘 结 ; 不 考 虑 混 凝 土 徐 变 、 收 缩 的影 响 ; 不 考虑
16、 加载 速率 对材 料强 度 的影 响 。 1 2材料 本构模 型 ( 1 ) 混凝 土 本构 模 型 。混 凝 土 本 构 采 用损 伤 塑 性 模 型l 6 , 屈 服条 件 由 L u b l i n e r 等 提 出 , 并 由 L e e 和 F e n v e s 进 行修 正 , 同时采 用塑 性势 面与 屈服 面不 同的、 不相关联的流动法则。塑性势面采用 Dr u c k e r P r a g e r l 8 提 出 的静水 压力 面 。 混 凝土 单轴 应力一 应 变 曲线采 用 混 凝土 结 构设 计 规 范 ( GB 5 0 0 1 0 - 2 0 1 0 ) l
17、g 附录 C推荐 的本 构关 系 , 如 图 1所示 , 其 中 , s 为应 变 , 为应力 , 厂 为抗 压 强度 , 为抗 拉强 度 , e 为 压应 变 , e 为 拉应 变 。混 凝 土 多轴应 力一 应 变关 系为 ( a ) 单 轴 受压 f b ) 单 轴 受 拉 图 1 混凝 土单轴应 力一 应变 关系 Fi g 1 Re l a t i o ns o f U n i a x i a l St r e s s - s t r a i n o f Co nc r e t e = ( 1 一 ) D :( 一 ) ( 1 ) 式 中 : 为混 凝土 的应力 张 量 ; d为损 伤
18、 变量 ; D; 为 材料 的初始 弹性 张量 ; s , s 分 别 为混 凝 土 的 总应 变 张量 和塑 性应 变张量 。 王金昌等口 。 。 依据相关 资料归纳 了损伤 变量 d 与归一 化 拉 、 压 塑性 应 变 s 的 关 系 , 如 图 2所 示 , 该关 系符合 一 阶指数 衰减 函数 的规律 , 即 A0 e C n o rm + B0 ( 2 ) 式 中 : Ao 一 1 ( e o 一 1 ) ; B o 一 一 1 ( e c 一 1 ) ; t () 为确定损伤变量 的标定参数 , O 。 1 。 图 2 士 关 系 Fi g 2 Re l a t i on of
19、d an d ( 2 ) 钢 材 本 构 模 型 。模 拟 过 程 中 工 字 型 钢 、 角 钢 、 钢板箍 、 纵 筋 和 箍 筋 均 采 用 理 想 弹 塑 性 本 构 模 型 , 其应力一 应变关系如图 3 所示 , 其 中, 为钢材应 力 , e 为钢 材 应 变 , , 均 为屈 服 强 度 , , 均 为 屈服 应变 。 ( 3 ) 预应力 筋本 构模 型 。预应 力筋 应 力一 应 变关 系采 用 的三 折 线 模 型_ I 见 图 4 , 其 中 , 为 预 应 力 筋应 力 , e 。 为 预应 力 筋 应 变 , E 。 为 比例 阶段 弹 性 刚 度 , E。 为非 比
20、例 阶段 弹性 刚 度 , E。 。 为条 件 屈 服后 的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 袁 沈峰 , 等 : 型钢 混凝 土组合 框 架力 学性 能非 线性 分析 8 9 u目 J 1 y 7 8y Y 图 3钢材的本构关 系 Fi g 3 Co n s t i t ut i v e Re l a t i on of S t e e l 图 4预 应 力 筋 的 本 构 关 系 Fi g 4 Co ns t i t u t i v e Re l a t i o n of Pr e s t r e s s e d Te nd o ns 屈 服刚度
21、, 厂 p 1 , 。 , , 。 均 为折 点处 的应 力 , , E z , e p 3 均 为折 点处 的应 变 。 1 3 单元 类型 选择 及模 型建 立 二次缩减积分单元不仅能够克服线性单元的 白 锁及线性缩减积分单元的沙漏 问题 , 而且其与二次 完 全单 元相 比具 有计 算效 率高 、 计算 精 度基 本相 同 、 对 网格 划分 敏感 性较 小 的特 点 l 】 , 因此 本 文采 用 二 次缩减积分单元 中的实体单元 C 3 D 2 0 R来模拟框架 结 构 中 的混 凝 土_ 】 。 钢梁 的翼 缘 和腹 板 、 角 钢 及 钢板 箍 沿 厚度 方 向 的尺 寸远小 于
22、其他 方 向 , 通 常 不 考 虑 其 沿厚 度 方 向 的应 力分 布 , 故 采 用 壳 单 元 S 4 R 来 模 拟 。纵 筋 、 箍 筋 和预应 力筋 则通 过杆 单元 T3 D3 来 模 拟 。 鉴于模型较为复杂 , 本文对框架 、 钢梁 、 钢筋 骨 架、 角钢骨架及预应力筋分别建模及划分单元 , 并采 用 AB AOus提供 的 E mb e d技术 进 行 自由度耦 合 , 以实现框架的整体建模。网格划分后 的预应力型钢 混 凝土 组合 框架 ( P S RC F ) 有 限元 模 型 见 图 5 , 非 预 应 力框 架 ( S RC F ) 模 型 与之类 似 , 不再
23、赘 述 。 1 4 施加约束及荷载 对框架柱柱底部截面施加 固接约束 , 为避免应 力集中, 在柱顶面和梁顶面上共设置 4个 刚度较大 的弹性垫板以承担竖 向集 中荷载 , 在梁端设置刚度 较大 的弹性垫板以承担水平荷载 。预应力作用会对 =: ( a ) 内置 型钢 与钢筋 ( b ) 模 型 的建 立 图 5 P S RC F有 限 元 模 型 Fi g 5 Fi ni t e El e me nt M o de l o f PS RCF 梁两 端产 生 集 中荷 载 , 故 对 P S RC F梁 两 端 均 设 置 弹性 垫板 , 如 图 6 所 示 。 水 板 图 6 约 束及 荷
24、载 的 施 加 Fi g 6 App l y i n g Co n s t r a i n t a nd Lo a d 1 5 收敛 准 则及 负刚 度处 理 收敛 准 则 是指 每 次 迭代 结 束 后 , 应 检查 所 得 到 的解 是否在 规定 的误 差 范 围 内。AB AQUS程 序 采 用非平衡力准则对每次迭代结束后非平衡力 的相对 变化 情况进 行 判别 。 框 架 结 构 在 水 平 荷 载 作 用 下 达 到 极 限 承 载 力 后 , 荷 载一 位移 曲线 往 往 会 出 现下 降段 , 即 出现 负 刚 度 问题 。位移 控制 法通 过控 制位 移增量 来 反求荷 载 增
25、量 , 能便捷地求得荷载一 位移曲线 的下降段 , 较适 合本文中对框架的水平单点加载。 2 试验 验证 2 1试验概 况 试 验 中的 2榀单 层 单 跨 框 架 P S R C F和 S R C F 的配筋 构造 见 图 7 。框 架 柱 剪 跨 比为 5 , 轴 压 比 为 0 1 。每榀框架混凝土均分 2 次浇筑 , 第 1次将混凝 土从地梁底部浇筑至框架柱标高为 2 5 m处 , 第 2 次浇筑梁及节点等剩余部分。节点采用对框架梁内 的工字 型钢 加焊 型钢 锚脚 的方式 口 , 可满 足 钢 梁在 节 点 内 不 发 生 粘 结 滑 移 破 坏 。 预 应 力 筋 采 用 1 6
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