配置分体式箍筋的大长宽比钢骨混凝土短柱抗震性能数值模拟

2016-09-14张春雷唐丽娜王初翀

四川建筑 2016年4期

关键词：钢骨分体式抗剪

张春雷，唐丽娜，王初翀

(四川省建筑设计研究院，四川成都 610000)

配置分体式箍筋的大长宽比钢骨混凝土短柱抗震性能数值模拟

张春雷，唐丽娜，王初翀

(四川省建筑设计研究院，四川成都 610000)

钢骨混凝土短柱钢骨较长时，短柱箍筋可采取全部穿过钢骨腹板、部分穿过钢骨腹板、全部不穿过钢骨腹板三种构造方式。本文采用Abaqus有限元分析软件对上述三种不同箍筋构造方式的大长宽比钢骨混凝土短柱进行数值模拟，分析研究三种构造方式对钢骨混凝土短柱极限抗剪承载力的影响、以及变形能力和延性性能，为配置分体式箍筋的大长宽比钢骨混凝土短柱的设计提供一定的参考依据。

Abaqus；大长宽比钢骨混凝土短柱；分体式箍筋；数值模拟

国内高层、超高层建筑结构大量使用钢骨混凝土柱，这种柱常在某一方向采用大长宽比的钢骨，常布置多肢封闭整体式箍筋且全部穿过钢骨腹板。这种构造方式需在钢骨腹板上大量开孔，导致钢骨腹板会设置各种形式的补强钢板；这些构造将引起更复杂的钢板焊接温度应力甚至影响到构件承载性能，同时箍筋全部穿过钢骨腹板施工复杂、工序增多，导致施工质量不易得到保证甚至影响构件承载性能。因此，在工程实践中提出了一种箍筋不全部穿过钢骨腹板的分体式箍筋构造方式，以大量减少腹板开孔造成的一系列不利影响。

然而，这种构件箍筋构造特殊，采用这种箍筋构造钢骨柱的非线性行为将严重影响结构的抗震性能。因此，针对配置分体式箍筋的大长宽比钢骨混凝土短柱的非线性行为进行数值模拟，用于预测构件在地震作用下的性能，从而确定建筑结构的抗震性能，能够在实际工程设计中更真实反映构件受力状态和变形情况。

1　Abaqus有限元软应用分析

Abaqus是一套功能强大的工程模拟有限元软件，其解决的问题从线性分析到复杂的非线性问题。作为通用的模拟工具，Abaqus能解决大量建筑结构工程问题。本文主要是应用Abaqus有限元软件对配置分体式箍筋的大长宽比钢骨混凝土短柱进行数值模拟，包括箍筋不穿过钢骨腹板、箍筋部份穿过钢骨腹板、箍筋全部穿过钢骨腹板下的大长宽比钢骨混凝土柱的抗震性能，并根据分析结果给出针对这类构件箍筋设计的建议。

1.1混凝土的本构关系

Abaqus中提供了3种混凝土本构模型：①损伤塑性模型(Plasticitydamage)，②弥散开裂模型(Smearedcrack)，③脆性开裂模型(Brittlecracking)。本文采用混凝土损伤塑性模型来模拟混凝土材料的本构关系，损伤塑性模型适用于模拟构件在往复荷载作用下混凝土材料的本构关系，并且能够考虑材料在往复荷载作用下的损伤、裂缝开展、裂缝闭合及刚度恢复等行为。

混凝土应力—应变曲线采用《混凝土结构设计规范》附录C.2.3—C.2.4中的公式描述。混凝土损伤塑性模型中，分别用受拉损伤因子和受压损伤因子来模拟由损伤引起的弹性刚度退化。其滞回准则由损伤因子d和损伤恢复系数w共同决定，其中损伤因子d是应力状态和损伤演化参数dc和dt的函数。目前，关于混凝土损伤塑性模型中损伤因子的计算方法已有较多的研究，本文采用Abaqus用户手册中提供的损伤因子计算模型：

(1)

式中st，sc为应力状态的刚度恢复函数，由以下方程定义：

(2)

(3)

拉伸损伤恢复系数wt和压缩损伤恢复系数wc的值为1时，表示损伤后刚度完全恢复，值为0时表示损伤后刚度不能恢复。

假定混凝土材料的非弹性应变εin中塑性应变εpl所占的比例为β，可求得损伤因子dk的计算公式：

(4)

式中：t、c分别代表拉伸和压缩；β为塑性应变与非弹性应变的比例系数，受压时取0.35～0.7，受拉时取0.5～0.95；εin为混凝土拉压情况下的非弹性阶段应变。

1.2钢材的本构关系

钢材的应力—应变关系采用理想二折线模型，如，按下列公式确定：

(5)

式中：fy,r为钢材的屈服强度代表值，其值可根据实际结构分析需要分别取fy、fyk或fym；fst,r为钢材的极限强度代表值，其值可根据实际结构分析需要分别取fst、fstk或fstm；εy为与fy,r相应的钢材屈服应变，可取fy,r/Es；εu为与fst,r相应的钢筋峰值应变；k为钢材硬化段斜率，k=(fst,r-fy,r)/(εu-εy)。

1.3单元类型选择

本次模型，混凝土单元与钢骨单元类型均选择为八结点线性六面体减缩积分单元，即C3D8R；钢筋的单元类型选择为二结点线性三维桁架单元，即T3D2。

2　大长宽比钢骨混凝土短柱的数值模拟

2.1模拟试件和参数

选择3个大长宽比钢骨混凝土短柱作为模拟对象，来考察相同条件下钢骨腹板两侧不同箍筋构造的大长宽比钢骨混凝土短柱的数值模拟效果。这3个构件的详细参数见表1所示，腹板两侧箍筋构造示意见图1。

表1　试件设计参数

(a)试件1

(b)试件2

(c)试件3图1　试件1～3腹板两侧箍筋布置示意图

2.2滞回曲线和骨架曲线

根据上述材料参数，各试件低周反复荷载作用下的滞回曲线和骨架曲线如图2所示。

从图2中可以看出，数值分析能够较好的模拟各试件在反复荷载作用下的受力行为，包括构件在反复荷载作用下的骨架曲线和构件在加载、卸载、再加载过程中刚度和强度退化的准确模拟。

2.3极限抗剪承载力

各试件极限抗剪承载力如表2所示。

表2　各试件数值模拟极限承载力　kN

从表2中可以看出，各模拟试件极限抗剪承载力相差不大，最大相差在10 %左右；钢骨腹板两侧箍筋全未穿过腹板构件的极限抗剪承载力低于腹板两侧箍筋穿过腹板构件，分析原因可能是箍筋全未穿过腹板，箍筋对腹板周边混凝土约束效果降低、以及箍筋被腹板完全切断后抗剪效果有限，造成其抗剪承载力相对偏低；腹板两侧箍筋部分穿过腹板构件的极限承载力反而高于箍筋全部穿过腹板的构件，分析原因可能是箍筋密集开洞对腹板抗剪能力有所消弱。

2.4塑性变形能力

塑性变形能力如表3、表4所示。

各试件的延性系数均大于3.0，表明试件具有良好的延性。试件1～3的极限层间位移角均大于1/100，表明试件1～ 3均具有良好的塑性变形能力。