带约束拉杆L形组合柱的抗震性能数值分析*

杨秀荣， 姜谙男， 刘海亮

(1. 大连海事大学 道路与桥梁工程研究所， 辽宁 大连 116026； 2. 潍坊市第二建筑工程公司 施工管理部， 山东 潍坊 261000)

钢管混凝土结构在实际工程中被广泛使用，其中，方形钢管混凝土结构具有制作方便、节点形式灵活、施工方便、易满足建筑要求、截面相对展开而惯性矩大、稳定性好、适合做压弯构件等优势，但由于建筑专业需求，具有灵活截面形式的异形柱越来越引起工程技术界的重视[1-2].由于方形或矩形柱在初期设计中，柱子本身凸出墙面，必定占用建筑的使用空间，而采用异形柱(如角柱采用L形截面，边柱采用T形截面，中柱采用十字形截面)可以解决上述问题，从而增加了建筑空间[3-4].

以L形、T形以及十字形为代表的组合柱具有灵活的截面形式，可避免室内柱楞外露，便于家具摆放并提高建筑空间的利用率，但在单肢柱中钢管对核心混凝土的约束作用主要集中在角部，在周边比较弱，承载能力相对较低，导致钢管与混凝土的协同作用较差[5-6].

为了增强钢管对核心混凝土的约束作用，延缓或防止钢管的局部屈曲，提出了设置钢筋(钢板条)加劲肋的构造措施[7]，即在每个单肢柱中沿纵向每隔一定间距，在横截面上设置单个或多个水平约束拉杆，以提高钢管在侧边中部对核心混凝土的约束作用，避免或延缓了钢管在达到屈服强度前的局部屈曲，使钢材和混凝土两种材料的性能得到进一步发挥，从而提高了钢管混凝土柱的承载力和延性，增强了L形方钢管混凝土组合异形柱的力学性能，带约束拉杆L形组合柱截面图和构造图如图1所示.

图1 L形组合柱Fig.1 L-shaped composite column

针对带约束拉杆L形组合柱的结构分析研究主要集中在静力方面，对其滞回性能的研究较少，本文围绕此类构件的抗震性能开展研究，采用有限元法对带约束拉杆L形组合柱的滞回性能进行了模拟研究.通过施加单调往复荷载的有限元模拟，并通过文献[8]拟静力试验结果验证了数值模拟的正确性，深入研究了带约束拉杆L形组合柱在单调往复荷载作用下的工作机理.

1 参考试验

试验所采用的材料为：钢管采用Q235B，钢管内填充的混凝土等级为C30，缀条采用钢材Q235B，钢管内的约束拉杆采用HRB335钢筋.钢管、缀条、混凝土和约束拉杆的力学性能指标如表1～3所示.

表1 钢材的材料特性Tab.1 Material properties of steel

表2 混凝土的材料特性Tab.2 Material properties of concrete

表3 约束拉杆的材料特性Tab.3 Material properties of binding bars

试件柱高2 000 mm，单肢截面宽度100 mm，因此，构件单肢高宽比L/D=20，钢管截面尺寸为100 mm×100 mm×5.75 mm，缀条尺寸为100 mm×40 mm×10 m，缀条竖向间距为200 mm，约束拉杆直径为10 mm，水平间距为50 mm，竖向间距为200 mm，试件尺寸如图2所示(单位：mm).

2 有限元模型

2.1 模型建立

为了模拟带约束拉杆L形方钢管混凝土组合异形柱构件的拟静力受力情况，在轴向施加竖向荷载，在水平方向施加低周往复位移，将柱底部的所有节点进行固接，柱顶自由.在施加的竖向荷载中，轴力是根据轴压比确定的，轴压比取值为0.3，采用文献[9]的叠加理论计算承载力.

图2 试件尺寸图Fig.2 Specimen size

图3 有限元模型Fig.3 Finite element model

带约束拉杆L形组合柱试件钢管截面属性分别为Is=322 132 mm4，As=2 167.75 mm2，fu=269 N/mm2，Es=208 305 N/mm2；混凝土材料属性分别为fc=14.3 N/mm2，Ac=7 832.25 mm2，Ec=30 000 N/mm2.上述所有变量参见文献[8].

钢管的屈服强度为269 MPa，极限强度为445 MPa，弹性模量为2.08×1011Pa.

钢管承载力计算公式为

Ns=3fuAs=3×269×2 167.75≈1 749 kN

轴压力分配系数为

0.34

混凝土承载力为

Nc=αcN≈901 kN>3fcAc≈336 kN

试件的极限承载力为

NL=Ns+Nc=1 749+336=2 085 kN

故确定施加的轴力为2 085×0.3=625.5 kN.

将钢管顶端100 mm范围内的所有节点施加水平往复位移，以5 mm为一级，每级位移循环一次，假定屈服位移为5 mm，直至增加到40 mm，柱顶端点位移时间图如图4所示.

图4 位移时间图Fig.4 Displacement-time diagram

2.2 结果分析

利用ANSYS软件进行通用后处理，可以得到带约束拉杆L形组合柱在水平位移为零和最大位移为正向、负向时的整体等效应力云图，结果如图5所示.可以发现，带约束拉杆L形组合柱在往复荷载作用下的破坏有整体倾斜、柱脚鼓曲和缀条鼓曲等.

图6为带约束拉杆L形组合柱模型在往复荷载作用下破坏时的整体变形及各构件的等效应力云图.从图6可以看出，带约束拉杆L形组合柱顶端水平位移较大，钢管和混凝土的最大应力点位于柱脚鼓曲部位，破坏形态是柱脚鼓曲.从破坏形态可以发现，连接缀条传递了剪力，是连接各个单肢的重要构件，是传递剪力的枢纽，通过鼓曲变形起到了耗散能量的作用.

图5 破坏形态应力云图Fig.5 Stress nephogram of failure modes

图6 应力云图及变形图Fig.6 Stress nephogram and deformation diagram

2.3 钢管、缀条、约束拉杆和混凝土应力分析

利用ANSYS软件可以得到钢管、缀条、约束拉杆和混凝土应力最大点在整个加载过程中的变化情况，等效应力时程曲线如图7所示.从图7可以看出，混凝土比缀条和钢管更早地达到了极限强度，说明混凝土首先发生开裂，缀条比钢管屈服得晚，说明钢管先于约束拉杆和缀条破坏.

图7 时程曲线Fig.7 Time-history curves

2.4 承载能力分析

本文以轴压比为0.3、混凝土强度为C25、钢材强度为Q235的带约束拉杆L形组合柱在往复荷载作用下为例进行分析，滞回曲线和骨架曲线如图8、9所示.可以看出，构件在往复荷载作用下的滞回曲线呈梭形，滞回曲线的形状非常饱满，这反映了该构件具有较好的塑性变形能力，同时也具有较好的抗震性能和耗能能力，同时骨架曲线(包络线)也具有平缓的下降段，说明带约束拉杆L形组合柱具有较好的能量消耗能力和延性.

图8 滞回曲线Fig.8 Hysteretic loops

图9 骨架曲线Fig.9 Skeleton curve

3 结 论

为了研究采用带约束拉杆L形组合柱在低周往复荷载作用下的受力情况，采用有限元软件ANSYS进行数值模拟并与试验进行对比，得到了以下结论：

1) 通过在单肢柱中添加约束拉杆，增强了钢管对核心混凝土的约束作用，推迟了钢管在达到屈服前的局部屈曲，从而提高了L形方钢管混凝土组合柱的承载力和延性.

2) 带约束拉杆L形组合柱中的钢管应力最大点出现于柱脚鼓曲部位，而缀条的应力最大点则位于靠近柱底部的部位，混凝土的应力最大点出现在柱脚鼓曲部位.

3) 组成部分的破坏顺序是：混凝土首先开裂，之后钢管底部屈服并发生鼓曲.

4) 滞回曲线呈梭形，曲线饱满，而骨架曲线也具有平缓的下降段，说明带约束拉杆L形组合柱具有较好的耗能能力和延性，抗震性能较好，为以后实际工程应用提供了依据.