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1、多腔钢管混凝土分叉柱力学性能有限元分析 乔崎云 梁旭 曹万林 武海鹏 殷飞 李翔宇 城市与工程安全减灾教育部重点实验室(北京工业大学) 摘 要： 为研究异形截面多腔钢管混凝土分叉柱的力学性能及设计方法, 以北京某超高层建筑异形截面多腔钢管混凝土巨型分叉柱为原型, 在已进行的低周反复荷载试验基础上, 对异形截面多腔钢管混凝土分叉柱抗震性能进行有限元分析, 研究了不同构造措施、不同钢材及混凝土强度等级等参数对钢管混凝土分叉柱抗震性能的影响.结果表明:基于本文提出的有限元建模方法, 所得有限元分析结果与试验结果吻合较好;适当增加腔体数, 设置肋板、角钢和钢管能够有效提高异形截面钢管混凝土分叉柱抗震性
2、能;在等用钢量下, 增加腔体数量比增加钢板厚度能更有效地提高分叉柱抗震性能;不同材料强度对异形截面钢管混凝土分叉柱抗震性能有较大影响, 在进行其抗震设计时, 宜选用强度等级匹配的钢材与混凝土.关键词： 多腔钢管混凝土; 分叉柱; 低周反复荷载试验; 有限元分析; 抗震性能; 作者简介：乔崎云 (1985) , 男, 讲师, 硕士生导师;作者简介：曹万林 (1954) , 男, 教授, 博士生导师收稿日期：2017-05-24基金：国家自然科学基金 (51408017) FEM analysis on multi-cell CFST bifurcated columnsQIAO Qiyun LI
3、ANG Xu CAO Wanlin WU Haipeng YIN Fei LI Xiangyu Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering (Beijing University of Technology) , Ministry of Education; Abstract： To study the mechanical properties and design method of CFST columns with special-shaped cross-section, based on the special
4、-shaped multi-cell CFST bifurcated columns of a super-high building underconstruction in Beijing, the FEM analysis on the seismic behavior of the special-shaped concrete-filled bifurcatedsteel tube columns was carried out. The test parameters were the different constructional measures, different ste
5、eland concrete grades. The results show that the developed FEM analysis method has adequate accuracy comparedwith the test results. The seismic behavior of the columns increased with increasing the number of the cells, theinstallation of the stiffener, L-type steel and steel tube. Increasing the num
6、ber of the cavities has a better effect onseismic behavior than the increasing thickness of the steel tube in the case of the same steel consumption. Thematerials strength has a great influence on the seismic performance of the bifurcated column, and the strengthmatching between the steel and concre
7、te should be considered in seismic design.Keyword： multi-cell CFST; bifurcated column; low cyclic test; FEM analysis; seismic behavior; Received： 2017-05-24随着时代的发展, 中国的建筑趋于高层、超高层建筑.近年来, 中国超高层建筑发展迅速, 超高层建筑的竖向构件较多采用钢管混凝土组合结构, 钢管混凝土具有承载力高、延性好、耐火性好以及施工简便等优点, 应用广泛.随着建筑样式的多样化, 有时为满足建筑的需要, 会产生异形截面巨型钢管混凝土柱.
8、同时为满足抗震性能要求, 异形截面巨型钢管混凝土柱内部被钢板分隔成若干腔体, 形成巨型多腔体钢管混凝土柱.天津 117 大厦, 大连国贸中心, 北京中国尊等超高层建筑, 均采用了异形截面多腔钢管混凝土柱.目前, 对异形截面多腔钢管混凝土柱抗震性能的研究较为欠缺.曹万林等1-3对异形截面多腔钢管混凝土柱进行了抗震性能研究, 提出了相关构造措施的建议, 研究成果表明多腔钢管混凝土柱与单腔钢管混凝土柱相比, 具有较好的抗震性能;钢管混凝土的截面构造及钢筋笼的设置对钢管混凝土柱的承载力和延性有较大的影响.张建伟等4研究了不同构造措施对八边形截面多腔钢管混凝土柱抗震性能的影响, 研究结果表明设置分腔板,
9、 竖向肋板及角钢能够显著提高其抗震性能.王丹等5进行了 T、L 形截面钢管混凝土柱的抗震性能试验, 研究表明轴压比、钢管壁厚和混凝土强度对承载力有较大影响.林震宇等6对 L 形钢管混凝土柱的抗震性能试验表明设置加劲肋可以提高钢管混凝土柱的延性, 且可以延缓钢板的屈曲.荣斌等7进行了 L 形截面方钢管混凝土组合柱受压性能相关研究, 并提出了相关计算公式.以上文献对多腔钢管混凝土结构进行了研究, 但缺乏对不同腔体具有不同高度时的性能研究, 如分叉柱等情况.为满足上述要求, 本文以北京某在建超高层建筑为工程背景, 在课题组已完成的异形截面多腔钢管混凝土分叉柱抗震性能试验研究的基础上8, 进行了有限元
10、分析和参数研究, 对比分析了不同构造措施、不同钢材及混凝土强度等级等参数对分叉柱抗震性能的影响, 为相关工程提供理论依据和设计参考.1 试验概况以北京某在建超高层建筑异形截面多腔体钢管混凝土分叉柱为工程参考模型8, 设计了 4 个 1/30 尺寸试验模型, 如图 1 所示.模型编号分别为 CFTC1-X、CFTC2-X、CFTC1-Y、CFTC2-Y.“1、2”分别代表钢管厚度为 2 mm 和 3 mm, “X、Y”分别代表钢管混凝土柱沿长轴方向加载、沿短轴方向加载.试件高 920 mm, 距基础顶面高 460 mm 处分叉为两根柱, 试件的加劲肋横截面尺寸为 5 mm2 mm.模型设计见图
11、1.模型设计参数及材料力学性能见表 1.图 1 试件模型几何尺寸及构造8 (mm) Fig.1 Details and dimensions of specimens (mm) 下载原图表 1 模型设计参数 Tab.1 Design parameters of specimens 下载原表 2 有限元建模本文采用有限元分析软件 ABAQUS 进行有限元分析.为准确描述实际构件, 模型建立采用全模型的方法.为反应实际构造的特点, 钢管混凝土柱的模型中, 钢管部分采用三维可变形壳单元, 混凝土部分采用三维可变形实体单元, 隔板采用三维可变形实体单元, 模型示意见图 2.2.1 混凝土本构模型及参数
12、选取混凝土采用 ABAQUS 软件中提供的损伤塑性模型 (damaged plasticity) , 确定钢材与核心混凝土的应力-应变关系模型, 进行钢管混凝土构件的荷载-变形关系曲线全过程分析.核心混凝土本构采用方、矩形钢管混凝土柱考虑约束效应的应力-应变关系表达式9, 并参考文献10中的理论分析方法, 计算得到分腔钢板、水平隔板和纵向加劲肋的贡献, 提高混凝土的峰值强度及峰值应变, 修正文献9给出的应力-应变关系曲线, 从而得到适用于 ABAQUS 有限元模拟的异形截面多腔钢管约束混凝土本构关系, 泊松比取 0.2.混凝土参数取值见表 211,表中 Fb/fc为双轴等抗压强度和单轴抗压强度
13、的比值, K 为常数, 是拉、压子午线上第二应力不变量的比值.图 2 有限元分析模型 Fig.2 Finite element model 下载原图表 2 混凝土有限元计算模型参数取值 Tab.2 Parameters of concrete finite element models 下载原表 2.2 钢材本构关系及参数选取钢材采用 Q345 钢, 钢材本构曲线采用三折线模型, 为更好模拟钢材实际应力-应变关系9, 钢材屈服强度、钢材极限强度取实测值, 泊松比取 0.3.2.3 界面模拟与荷载施加模型外钢板采用整体建模, 分叉面上下分别建模后合并成为一个整体壳结构.钢板与混凝土界面接触采用表
14、面与表面接触 (Standard) , 其中钢板表面为主表面, 混凝土表面为从表面, 滑移公式为有限滑移.为确保主表面与从表面精确接触, 从节点/表面调整选为“只为调整为删除过盈”.接触作用属性中, 切向行为摩擦公式采用罚函数, 摩擦系数取 0.4, 法向行为采用硬接触.钢管内部钢板嵌入 (embedded) 到混凝土中.肋板与钢板绑定, 且嵌入混凝土中.基础底部为固定端, 底面设置为完全固定, 加载端为自由端.水平荷载采用一次加载, 增加 2 个分析步, 第一步施加竖向轴力, 轴力大小为 900 kN, 第二步在加载端施加位移荷载.多、高层结构弹塑性层间位移角限值为 1/5012, 为更好模
15、拟钢管混凝土模型破坏以及承载力下降, 本文采用 1/30 弹塑性层间位移角, 加载幅值为软件默认值.2.4 单元的选取与网格划分为更好模拟实际情况, 简化计算, 钢管部分采用 S4R 单元13, 网格采用四边形自由化网格划分;肋板部分与混凝土采用 C3D8R 单元, 网格采用六面体结构网格划分, 其余部分按软件默认值选择.按以上步骤建立试件的有限元模型, 计算并得出有限元模型的水平荷载 F 与水平位移 U 的 F-U 关系曲线, 并与试验得出的 F-U 关系曲线进行对比, 从而验证有限元模拟的合理性与可信性.2.5 有限元计算结果根据有限元分析结果, 其 F-U 曲线与试验的正向 F-U 曲线
16、对比见图 3.图 3 F-U 曲线对比 Fig.3 Comparison ofF-Ucurves 下载原图试验得出的正向钢管混凝土分叉柱的骨架曲线与有限元分析得到的钢骨架曲线吻合良好, 在试件加载初期, 二者刚度基本一致;随着位移增大, 试件开裂损伤, 曲线开始出现偏移但总体较为吻合.试验得到的峰值荷载在同位移下的有限元分析得到的荷载比值为 1.009, 有限元分析结果能准确模拟试验结果.3 参数研究3.1 不同构造措施对钢管混凝土力学性能的影响3.1.1 模型设计在试验模型基础上, 设计 6 个有限元分析模型.其不同点在于腔体数量、竖向肋板、角部加角钢、边缘腔体内加钢管等构造措施.模型编号为M1、M2、M3、M4、M5、M6.其中 M1 为无纵向肋板的 13 腔体试件, 钢板厚 2 mm;M2 为八边形 7 腔体试件, 钢板厚 3 mm, M2 与 M1 用钢量相同;M3 为加纵向肋板 13 腔体试件, 钢板
