T形截面SRC异形柱有限元分析

2011-02-05许治斌徐再修薛自波王博王玮

四川建筑 2011年1期

许治斌，徐再修，薛自波，王博，王玮

(西安建筑科技大学，陕西西安710055)

本文运用ABAQUS有限元软件对型钢混凝土异形柱的正截面承载力进行了数值仿真分析，在4根T形截面SRC异形柱试验研究的基础上，考虑了轴压比、水平荷载角、配钢率和配钢形式等参数的变化，为T形截面SRC异形柱的正截面承载力性能的进一步分析提供依据。

1 试验概述

本文是在文献［5］所做试验的基础上，选取其中四根试件(T3、T4、T7、T8)为研究对象，采用有限元进行分析。试件的参数设计均参照文献［5］。

试验采用“建研式”加载，使上下端面保持水平。试验时先在柱顶施加竖向荷载到指定值，然后施加水平荷载。水平荷载采用荷载和位移混合控制的方法。弹性阶段采用荷载加载，以20 kN为一级，循环一次;试件屈服以后采用位移控制加载，以试件屈服时水平位移的倍数递增，循环3次，直到水平荷载下降到峰值荷载的70%时停止加载(图1)。

图1 加载制度示意图

2 有限元分析

2.1 材料的本构模型

混凝土的本构关系采用文献［1］中建议的应力－应变曲线:

受压时

受拉时

在ABAQUS中，要求输入塑性应变，需要将上面本构关系式中的应力应变进行转化。转化公式为［3］:

钢材的本构关系采用文献［1］中建议的理想弹塑性模型，在ABAQUS中定义钢材属性，必须采用真实应力和真实应变，以便换算出塑性应变。转化公式为［4］:

真实应变与名义应变之间的关系:ε=ln(1+εnom);真实应力与名义应力和名义应变之间的关系:σ=σnom(1+εnom);塑性应变:εpl=ε－σ/E。

2.2 单元类型、边界条件及加载制度

混凝土采用实体单元;型钢采用壳单元;钢筋采用杆单元。所有试件均按照试验试件的尺寸制作。

图2 模型示意

图3 水平加载角示意

在软件模拟中，先加载竖向力到指定值，然后直接用位移控制水平加载过程，模型的坐标系、约束情况和荷载方向如图2。模拟“建研式”装置加载，保证上下端面平行，正向加载时的柱上、下端的受力情况与反向加载时柱的下、上端的受力情况相同，可知试件正、反方向加载具有承载力对称性，又因为T形柱沿腹板对称，因此在模拟中只需模拟0°～90°第一象限的水平加载角方向。水平加载角示意图见图3。

2.3 软件计算结果与试验结果比较

对试验中的4根T形柱进行了模拟，试验结果和模拟结果一起列于表1，骨架曲线的对比见图4。

图4 试验与模拟骨架曲线比较

由表中结果可得:模拟值与试验值的比值平均值为μ=1.075，均方差σ=0.052，变异系数cv=0.048，说明模拟结果比较可靠。由图4骨架曲线对比可以看出，模拟试件的初始刚度及峰值大小与试验较接近，在试件屈服阶段以及峰值以后的曲线表现出较大的偏离，这是因为在模拟中未考虑混凝土与型钢之间的粘结滑移，试件屈服时，模拟的刚度退化比较缓慢，并且峰值以后承载力降低不明显。本文中不研究异形柱的刚度退化以及延性特点，因此该模拟对于研究SRC异形柱正截面的极限承载力的规律具有可行性。

2.4 模型建立

为研究T形截面SRC异形柱的最不利加载角度，以T7试件为基准，改变轴压比(0、0.213、0.441、0.65、0.85)和水平加载角(0°、15°、30°、45°、60°、90°)，设计第一组试件。

为研究配钢形式对T形截面SRC异形柱正截面承载力的影响，以T3试件为基准，用Sa、Sb、Sc表示翼缘两端总型钢面积、腹板外端型钢面积、翼缘和腹板交汇处的型钢面积，令a=Sa∶Sb∶Sc，改变水平加载角(0°、45°、90°)和a(2∶2.33∶1、2∶4∶1、6∶3∶1、4∶2∶1)设计第二组试件。

为研究配钢率对T形截面SRC异形柱正截面承载力的影响，以T4为基准，保持水平加载角和a不变，变化配钢率(6.55%、8.49%、10.47%)和轴压力(409.8 kN、573.7 kN、1000 kN)，设计第三组试件。

3 计算结果及分析

3.1 轴压比对正截面承载力的影响

由第一组试件计算结果绘出不同轴压比下Mx－My相关曲线和不同水平加载角下N－M相关曲线(图5)。

图5 不同轴压比以及荷载角下的关系曲线

由图5左图可看出:轴压比由0到0.441递增，曲线包围的面积随之增大，说明在此区间内，正截面承载力随轴压比的增加而增加;轴压比增加到0.65时，面积增加不大，取θ=arctan(My/Mx)，当θ在30°附近时，曲线出现了内陷。这说明T形截面SRC异形柱的最不利水平加载角在30°附近出现;轴压比增加到0.85，曲线面积减小很多，且在θ=30°附近内陷曲率更大。

3.2 T形柱最不利加载角分析

由图5中右图可以看出，加载角为0°时的承载力最小，加载角为30°时曲线的拐点最低，最不容易发生大偏心受压破坏，构件的延性较差，因此，T形截面SRC异形柱的最不利水平加载角是0°～30°。这是因为加载角为0°～30°时，翼缘只有一肢处于受压状态，处于单肢受压的型钢和混凝土面积均较小;当水平加载角为90°时，腹板处于受压状态，处于受压状态的型钢和混凝土面积较加载角为0°～30°时多。

3.3 配钢形式的影响

由第二组试件模拟结果数据绘出四个不同a值的M－θ曲线，见图6。

图6 不同配钢形式的承载力

由图6可以看出，Sa∶Sb有2、0.86和0.5三种，当水平加载角为0°的时候，Sa∶Sb为2时的承载力明显大于0.86和0.5时的承载力。这是因为当Sa∶Sb为2时，翼缘两端的型钢面积比较大，远离中性轴的型钢面积更多，因此大大提高了截面的承载力;当加载角为45°的时候，Sa∶Sb为2或0.86的承载力相差不大，但是仍比Sa∶Sb为0.5大很多。这是因为当Sa∶Sb为0.5时，柱截面翼缘两端的型钢面积比较小，影响了整个截面承载力提高。比较四根曲线，a=6∶3∶1和4∶2∶1的时候，起伏较小，表明承载力比较稳定，因此，在T形截面异形柱界面配钢时，要保证Sa∶Sb达到2左右。

四种配钢形式中，Sa分别占37.5%、28.6%、60%、57.1%，当Sa为30%左右时，其承载力明显小于Sa为60%左右时的承载力;并且当Sa达到60%时，不同的加载角对承载力影响的波动性相对减小。因此，在T形截面异形柱截面配钢时，要保证翼缘两侧的配钢总面积达到截面总配钢面积的50%～65%，使柱子能较好地抵御来自不同方向的地震作用。

当a=6∶3∶1和4∶2∶1的时候，Sc分别为10%和14.3%，由图6中两条曲线可见Sc的大小对柱子的承载力影响不大，因此只须对翼缘和腹板交汇处的型钢作构造配置。

3.4 配钢率的影响

由第三组试件模拟结果数据绘出相同轴压力下的M－ρ曲线，如图7所示。

图7 配钢率对承载力的影响

由图7可知，在相同的轴压力下，随着配钢率的增加，构件所能承受的弯矩得到大幅度的提高。因此，适当地提高构件的截面配钢率能够有效地提高异形柱的正截面承载力。但为使型钢和混凝土能够很好的协同工作，保证混凝土对型钢有足够的握裹作用，配钢率必须有一定的上限，文献［5］提出了SRC异形柱的截面配钢率在4%～12%是可行的。太小则型钢面积过小，发挥不出型钢的作用;太大则会过多地减小混凝土的面积，影响型钢和混凝土的协同工作能力。