1、方钢管混凝土柱的累积延性摘 要：为了评估钢管混凝土结构在地震作用下的损坏情况，本文基于累积塑性变形倍率(以下称累积延性)来评价结构的累积耗能能力，分析了加载方式和基础连接方式等参数对钢管混凝土柱的塑性和耗能能力的影响。结果表明：累积延性因加载方式的不同而不同；累积延性受基础连接方式影响较大。 关键词：钢管混凝土柱；加载方式；基础连接方式；累积延性 中图分类号： TU37 文献标识码： A 0 引言 地震是人类生存与发展道路上最严重的自然灾害之一，地震的发生严重威胁着人类的生命及财产安全。通过对震后房屋建筑震害情况的调查分析，结果表明钢管混凝土结构具有优越的抗震性能1。钢管和混凝土之间的相互作用
2、，使内填混凝土处于三向应力状态，进而使其承载力提高，并改善了结构的塑性和韧性。为了评估钢管混凝土结构在地震作用下的损坏情况，本文基于徐培蓁2提出的累积延性来评价方钢管混凝土柱的累积耗能能力。 本文通过 ABAQUS 有限元分析软件对方钢管混凝土柱在一定轴力下，进行低周反复水平荷载模拟分析，通过改变加载方式、基础连接方式等参数，得到在不同参数控制下，方钢管混凝土柱累积延性的变化规律。 1 模型的选取 1.1 材料的性能 试验模拟中钢材均采用 Q235 级钢材，混凝土等级采用 C30 混凝土。钢材和混凝土的材 性试验结果见表 1-1。 钢材和混凝土的材性试验结果表 1-1 材料 强度等级 屈服强度
3、 （N/mm2） 极限强度 （N/mm2） 弹性模量 E(MPa) 泊松比 钢材 Q235 267.2 350.6 2.1105 0.3 混凝土 C30 23.28 34.87 3.15104 0.167 1.2 试件参数 为了研究加载方式、基础连接方式等因素对柱累积延性的影响，本文以以上各因素为控制变量，综合分析其在耗能过程中的作用。本文中方钢管混凝土柱的承载力设计的依据为钢管混凝土结构设计与施工规程 （CECS28：90）3。根据建筑抗震试验方法规程 （JGJ101-1996）4建议，取柱的高度为 2000mm。方钢管混凝土柱试件参数如表1-2 所示。柱的编号采用基础连接方式-长细比-含钢
4、率方式命名，其中：基础连接方式有两种，即仅钢管与基础铰接连接，编号 N，钢管与混凝土共同与基础铰接连接，编号 M；轴压比为 0.6；长细比为 30；含钢率为0.16 编号 A。 方钢管混凝土柱试件参数表 1-2 编号 截面尺寸 D/t(mm) 承载力 N（kN） 轴力 N0（kN） 压力(MPa) N-30-A 231/9.5 3324 1994 37 M-30-A 231/9.5 3324 1994 37 1.3 加载制度 地震作用下结构的往复振动既不是逐级增大，也不是等位移幅值振动，具有很大的不确定性。为了考察加载路径对钢管混凝土柱的累积延性的影响，本文基于文献5提出的有效累积滞回耗能原理
5、，从图 1-1 所示采用 Takemura6试验加载制度进行模拟分析。 （a）加载制度 I (b)加载制度 II（c）加载制度 III 图 1-1 试验加载制度 图 1-2 基础形式图 1-3 基础形式 2 模拟试验结果 2.1ABAQUS 中方钢管混凝土柱模型 本文为了达到 CFT 柱在实际工作中的套箍作用，主要是使用其中的interaction 模块定义方钢管和混凝土柱之间的接触作用，在接触性质（interaction property）中选取 penalty 公式，摩擦系数取 0.6，并且在材料本构关系中，钢材本构仍采用三折线模型，混凝土本构则考虑钢管的套箍作用输入有钢管约束的本构。边界
6、条件的模拟见图 1-21-3。 2.2 承载力-位移关系曲线 经 ABAQUS 有限元分析软件的分析，得到相应试件在不同加载方式及不同基础连接方式下各试件的屈服荷载、极限荷载、屈服位移和极限位移，见表 2-1 所示。其中各试件的承载力-位移关系曲线如下图 2-1 所示，其中、指加载制度。 极限荷载及屈服荷载表 2-1 编号 屈服荷载 Py(kN) 极限荷载 Pu(kN) 屈服位移 (mm) 极限位移 (mm) N-30-A 248.1 284.7 12.8 30.6 M-30-A 256.1 305.3 13.9 60.6 图 2-1 方钢管混凝土柱的力-位移滞回曲线 3 结果分析 结构的抗震
7、性能主要取决于构件耗能的能力，当结构处于地震能量场内时，地震能量输入结构，结构主要靠结构弹塑性阶段持续地吸收和耗散能量。累积滞回耗能产生的损伤对钢管混凝土柱变形性能的影响不容忽略。本文采用 AKIYAMA 等7定义的累积延性系数 来评价钢管混凝土柱累积耗能对承载力退化的影响。各试件的累积塑性变形倍率见表 3-1。 编号 Eela/kNm Ep/kNm My/kNm y/rad N-30- I 6.6 34.3 496.2 0.0064 2.4 10.8 N-30- 7.2 42.3 496.2 0.0064 2.4 13.3 N-30- 1.4 96.4 496.2 0.0064 2.4 30
8、.4 M-30- I 9.3 213.0 512.2 0.0070 4.4 59.8 3.1 加载方式的影响 图 3-1 表示了不同加载方式对方钢管混凝土柱累积塑性变形的影响关系曲线。从图中可以看出，加载方式对钢管混凝土柱的累积延性具有显著影响，其中加载制度与加载制度的对方钢管混凝土柱的累积延性影响不大，二者相差 1.2 左右；加载制度影响最大，累积塑性变形倍率是加载制度的 3 倍左右。由此可以得出加载制度由大位移逐级递减时对方钢管混凝土柱的累积损坏最为严重。 图 3-1 加载方式对累积延性的影响图 3-2 基础连接方式对累积延性的影响 3.2 基础连接方式的影响 图 3-2 表示了不同基础连
9、接方式对方钢管混凝土柱累积延性的影响关系曲线。从图中个可以可出，两种连接方式对累积塑性变形的数值有很大影响。基础连接方式 M 的累积塑性变形倍率是基础连接方式 N 的 5倍左右。由此可以得出基础连接越牢固，方钢管混凝土柱的累积耗能越多，累积损伤越严重。 4 结论 经分析表明，方钢管混凝土柱的累积在不同加载方式及基础连接方式下，其累积延性变化不同： 1）加载制度对柱的累积延性有较大的影响，加载制度 III 条件下，柱的累积延性较大。其原因可能为加载过程中柱的加载位移滞后，导致加载未达到极限位移。 2）基础连接方式是影响柱的累积延性的参数之一。基础约束越牢固其累积塑性倍率越大。 参考文献 1 蔡绍
10、怀. 钢管混凝土结构的计算与应用M. 中国建筑工业出版社, 1989. 2 徐培蓁, 叶列平. 日本基于能量抗震设计规程介绍J. 工程抗震与加固改造, 2010, 32(3):59-67. 3中国工程建设标准化协会标准 CECS28：90. 钢管混凝土结构设计与施工规程. 北京:中国计划出版社,1992 4中华人民共和国行业标准 JGJ 101-96.建筑抗震试验方法规程S.1997 5曲哲，叶列平.基于有效累积滞回耗能的钢筋混凝土构件承载力退化模型J.工程力学. 2011. 06;28(6): 45-51 6Takemura, Hiroshi and Kawashima, Kazuhiko. Effect of loading hysteresis on ductility capacity of reinforced concrete bridge pier J. Journal of Structural Engineering, Japan, 1997, 43A: 849-858. 7徐培蓁，聂瑞峰，叶列平.方钢管混凝土柱塑性变形性能的试验研究.西安建筑科技大学学报J，2011,43(5):609-614,622 基金项目：国家自然基金资助项目(50808104);山东省自然科学基金项目(ZR2010EM010);
