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1、型钢混凝土柱循环荷载下的数值模拟王城泉，邹旳*，郭翔（1.江南大学环境与土木工程学院，江苏无锡214122）摘要：利用有限元分析软件ABAQUS建立二组钢骨混凝土柱与普通混凝土柱的对比分析模型，进行了单调加载与循环往复 加载下的非线性有限元分析。对比分析结果表明，单调加载下型钢混凝土柱（SRC）的承载力与变形能力明显高于普通混凝 土柱（RC）；在循环往复荷载作用下，型钢混凝土柱的滞回环比普通混凝土柱饱满。进一步比较分析轴压力系数对型钢混凝 土柱的滞回特征、耗能和骨架曲线的影响。分析结果发现，柱轴压力系数的变化对型钢混凝土柱的耗能有一定影响。计算结 果对工程型钢混凝土柱的设计和应用有一定借鉴作用
2、。关键词：型钢混凝土柱；有限元分析；滞回曲线；耗能Non-linear Numerical Simulation on Hysteretic Behavior of SRC ColumnsWANG cheng-quan, ZOU YUn, GUO xiang(1. School of Environment and Civil Engineering, Jiangnan University, Wuxi Jiangsu 214122, China)Abstract:Two groups contrasting analysis models referring to SRC column an
3、d RC column are established by using finite element software ABAQUS. Both Static and cycle force are conducted. Analytical results show that bearing capacity and deformation ability of steel embedded reinforced concrete columns (SRC) under static loading are obviously higher than those of the reinfo
4、rced concrete column (RC). Under the cycle force, the hysteresis circles of the SRC columns are fuller than RC column. The capability of energy consumption of the SRC columns is almost 1.4 times more than the RC columns. Further axial pressure coefficient is considered as parameters to study hystere
5、sis characteristics, energy dissipation and the influence of the skeleton curve of SRC columns. The analytical results demonstrate that the hysteresis characteristics and energy dissipation are different with the changes of a xial pressure coefficient. The study results have some value on the design
6、 and application of the SRC columns.Keyword: steel embedded concrete columns; finite-element analysis; hysteresis curve; energy dissipation1引言型钢混凝土（SRC）结构是钢一混凝土组合结构 的一种形式。与传统的钢结构或混凝土（RC）结构 相比，SRC结构具有很强的性能优势和经济优势， 在国内外被广泛应用1-2。恢复力模型是根据大量从 试验中获得的恢复力与变形的关系曲线经适当抽象 和简化而得到的实用数学模型，是结构构件的抗震 性能在结构弹塑性地震反应分析中的
7、具体体现。国 内外有关专家学者对普通混凝土框架柱在恢复力特 性方面作了大量的试验研究，并提出了一系列的恢 复力特性的计算模型，这些研究成果对型钢混凝土 构件恢复力模型的研究具有重要借鉴意义。型钢混 凝土结构是介于钢筋混凝土结构和钢结构之间的一 种结构，它兼有钢筋混凝土和钢结构的一些特点， 构件的恢复力特性也介于两者之间。当型钢含量较 少时，恢复力特性接近于钢筋混凝土构件的特性； 当型钢含量较多时，型钢混凝土构件在一定条件下 明显地具有了钢构件的某些特性。故在此，对型钢 混凝土的恢复力特性进行非线性数值模拟。2有限元分析模型2.1构件基本信息有限元模型的长度采用1.5m，保护层厚度为 25mm,
8、采用对称配筋。型钢的翼缘宽度为150mm、 厚度、10mm，腹板的宽度为6mm、高度为180mm。基金项目：2010年江南大学“国家大学生创新性实验计划”（ 101029522）；中央高校基本科研业务费专项资金（JUSRP21005 ）；） *通讯作者：邹 旳（1967），女，安徽人，教授，博士，主要从事高层抗震研究（E-mail: zouyun_）3012/-/Oco11300图2.1 SRC柱截面图2.2材料的本构关系2.2.1混凝土本构关系箍筋内认为混凝土处 于多轴受力状态，可图2.2有限元分析模型图2.3钢材本构关系 表2.1钢材材料性能类型d,t/mm /憾yf /MPayf /MP
9、a b12122020353.79574.22882570513.40523.3510102330466.11492.80型钢61530309.59403.9536123 SRC柱与RC柱对比分析型钢混凝土柱的截面如图2.1所示；用于对比分析 的普通混凝土柱的截面尺寸与配筋同型钢混凝土 柱。分析模型中混凝土、 钢筋及型钢采用 ABAQUS 中的实体 Solid单元；纵筋和箍筋 采用Wire单元，如图2.2 所示。对于SRC柱的可划分为箍筋外无 约束混凝土区和箍筋内有约束混凝土 区，箍筋外认为砼处于单轴受压应力 状态，认为混凝土处于单轴受压应力 状态，采用Saenz模型来模拟无约束 区混凝土单轴
10、受压应力一应变关系。等效为单轴受压应力状态，所采用的混凝土应力- 应变曲线如图2.2所示。图2.2混凝土受压的应力-应变关系2.2.2钢材本构关系分析中纵筋、箍筋和型钢均采用常用的多折线 性随动强化模型(MKIN),如图2.3所示。泊松比均 为0.25。钢材受拉超过屈服平台后进入强化段，强 化段简化为直线，屈服平台对应的最大应变即假设 为 =4。受拉钢筋和型钢翼缘的极限拉应变根s y据f , f , E，E2计算得到。分析模型中钢材的力 y u 12学性能指标如表2.3。3.1单调加载下的性能对比为了研究型钢对混凝土柱力学性能的影响，建立 二组SRC柱与RC柱的对比分析模型，二组试件 采用不同
11、的轴压比，其余信息均相同。如相同的截 面尺寸、混凝土等级以及箍筋配筋率。构件的基本 信息如表3.1所示。在柱顶施加相同的位移，单调 荷载作用下得到各构件的的P-曲线。对比分析结 果如下图3.1所示。表3.1 SRC柱与RC柱模型参数构件编号f /MPacu , kP (% )vnkSRC125.91.860.8RC125.91.860.8SRC225.91.860.6RC225.91.860.6图3.1反映出在截面尺寸与材料特性相同的材 料相同的情况下,钢骨对于柱的承载力有明显提咼， 同时，构件的变形能力也得到改善。O3025SRC1(包ffife20o O5 O1 diRC150-+OO20
12、40 / 6080100位移(mm)300-250-200- 、150- i 100J 50；-50-100-150-200-250-300-SRC2RC22040 6080100位移(mm)图3.1 SRC柱与RC柱的P-对比曲线3.2 SRC柱与RC柱的滞回性能分析循环往复荷载作用下，得到不同构件的滞回曲 线。将各组钢骨混凝土柱与普通混凝土柱模型的滞 回曲线绘制在于同一幅图中，如图3.2所示。很显 然，钢骨混凝土柱与普通混凝土柱的滞回特性具有 明显差异，钢骨混凝土柱的滞回曲线比普通混凝土 柱的滞回曲线饱满，说明地震作用下，钢骨混凝土 柱的抗震性能得到了明显改善。利用最大的滞回环进一步计算的
13、二柱的耗能能 力，耗能结果对比见表3.2。表3.2看出，型钢混凝 土柱的耗能能力达到普通混凝土柱的1.4倍以上。 轴压比越小，型钢混凝土柱的耗能能力提咼越多。300 q2502001502100S 50- 鄢0- 寵-50-100-150-200-250-300-图3.2 SRC与RC柱滞回曲线对比构件编号耗能/KJSRC/RCSRC1211.2832.03RC1104.0361.0SRC2204.0341.47RC2138.8171.0表3.2耗能结果对比Table 3.2 Comparison of energy dissipation4轴压比对SRC柱滞回性能的影响建立SRC3、SRC4
14、、SRC5三根柱模型，轴压比分别为0.15、0.30和0.40,模型具体参数见表4.1。4.1滞回曲线循环往复荷载作用下，得到不同构件的滞回曲 线。得到滞回曲线如图4.1所示。表4.1不同轴压比下模型的参数Table 4.1 Model parametersSRC325.91.190.15SRC425.91.190.30SRC525.91.190.40构件编号f /MPa(% ) ncu, kvk图4.2不同轴压比SRC柱滞回环40-20020 JO 60300-表4.2不同轴压比SRC柱耗能结果对比构件编号耗能/KJSRC3230.697SRC4246.407(a) SRC3 模型o o O o O 字)畫-1-200-300-SRC4图4.3不同轴压比SRC柱骨架曲线-60-40-200204060位移(mm)5结论
