低周反复荷载作用下带拉条T形型钢混凝土异形柱有限元分析

冯建龙 王甜甜

摘 要：本文提出了一种带拉条T形型钢混凝土异形柱，在低周反復荷载作用下研究了其抗震性能。通过有限元软件ABAQUS，选用合理的应力-应变关系，对不同参数下的试件进行模拟。根据有限元结果，分析了混凝土强度等参数对试件的滞回曲线、骨架曲线等的影响。结果表明，不同等级混凝土的该形式异形柱均具有较高的承载力，较好的变形能力和耗能能力，表明该形式的异形柱滞回性能良好。

关键词：低周反复荷载；带拉条T形型钢混凝土异形柱；有限元分析

随着我国建筑工业化发展速度不断加快，传统的钢筋混凝土柱因自重大、施工耗时长，且会对水、树木等资源造成浪费，并容易产生粉尘、噪音等污染，已不再完全符合人们对高品质居住建筑的要求。型钢混凝土异形柱结构具有承载力高、塑性变形能力好、抗震性能好等优点，在工程上应用的越来越广泛。为解决传统型钢混凝土异形柱存在的问题，本文在已有相关试验和理论研究的基础上[1-5]，提出了一种带拉条T形型钢混凝土异形柱：异形柱两端为方钢管，中间为具有内折部分的连接钢板，由拉条焊接连接，两端与方钢管焊接为整体，异形柱内部浇筑混凝土。

本文利用有限元分析软件ABAQUS，通过改变轴压比、剪跨比、混凝土强度等参数，对3个带拉条T形型钢混凝土异形柱模型在往复荷载作用下的承载力和抗震耗能性能进行了分析和研究，旨在为带拉条T形型钢异形柱结构的设计提供参考。

1有限元模型分析

1.1 模型设计

本文共确立了3个带拉条T形型钢混凝土异形柱试件，截面形式如图1所示。方钢管与拉条缀板采用Q345-B级钢，弹性模量为E=2.05×105MPa ，泊松比取为0.25，质量密度为7800kg/m3，厚度分别为3mm；混凝土强度等级分别为C30、C40、C50，弹性模量分别为E=3.0×104MPa 、E=3.20×104MPa 、E=3.35×104MPa ，泊松比取为0.2，质量密度为2400kg/m3。轴压比取0.3，剪跨比取1.5。

1.2加载制度

有限元模型的加载过程分为2个荷载步，首先施加竖向荷载，按预定的轴压比进行加载，并在整个加载过程中保持竖向荷载不变；水平加载采用全过程位移控制。

1.3本构模型

混凝土的本构模型采用文献[6]中建议的σ-ε曲线，忽略核心混凝土和型钢及拉条缀板之间的粘结滑移。方钢管内的核心混凝土在受力过程中对钢管起到一定的约束作用，使得钢管的承载力增强。故本文选用文献[7]建立型钢的σ-ε本构模型。

1.4网格划分

试件的混凝土单元和钢骨单元均采用8节点三维实体单元（C3D8R）。异形柱顶部与加载梁之间采用绑定约束（Tie），异形柱底部采用完全固接约束。各节点均包括Ux 、Uy 、Uz 、URx 、URy 、URz 六个自由度，使用减缩积分方式，效果良好。

2结果分析

2.1破坏特征

从模拟后的3组变形云图中选取第1组变形比较明显的试件来分析破坏形态的具体表现。其破坏特征主要体现在：加载初期，各试件外形并无明显变化；随着水平位移的不断增大，各试件渐渐发生屈曲；在受压侧柱脚的肢端最外缘区域钢管发生越来越明显的起鼓现象，拉条内部的核心混凝土压碎直至少量从钢管裂缝处挤出。

2.2滞回性能

滞回曲线是试件抗震能力的综合体现。根据图6能够得出各组试件的滞回曲线形状丰盈、没有捏拢现象，反映出带拉条T形型钢混凝土异形柱抗震性能良好。

对不同混凝土等级的带拉条T形异形柱构件进行分析对比，有限元分析所得滞回曲线如图6所示，强度越高，试件滞回性能越好。

从图7可以看出，不同强度混凝土对试件骨架曲线的影响，对比较为明显，混凝土强度对试件的承载力以及刚度有较大影响，等级越低，试件的承载力越低，刚度越小。

3总结

通过有限元软件ABAQUS模拟不同参数下十字形钢骨混凝土异形柱的滞回性和骨架曲线，得到如下总结：

（1）在不同混凝土强度等级下，该形式的异形柱滞回曲线均较为饱满，稳定性较好，表明其塑性变形能力和耗能能力良好。

（2）改变核心混凝土的强度对带拉条T形型钢混凝土异形柱的抗震性能有明显提升。

参考文献：

[1] Zhou T， Chen Z， Liu H. Seismic behavior of special shaped column composed of concrete filled steel tubes[J]. Journal of Constructional Steel Research， 2012， 75（75）：131-141.

[2] SMITH T. FRP-Strenghtened RC Beams-Ⅱ： review of Debonding Strength Models[J]. Engineering Structure，2002，24（4）：385 -395.

[3] 陈宗平. 型钢混凝土异形柱的基本力学行为及抗震性能研究[D]. 西安：西安建筑科技大学，2007

[4] 薛建阳，薛皓，刘祖强.型钢混凝土异形柱滞回性能分析[J]. 西安建筑科技大学学报（自然科学版）， 2014（06）：780-784

[5] 陈宗平，薛建阳，等.低周反复荷载作用下型钢混凝土异形柱的抗剪承载力分析[J]. 土木工程学报， 2007（07）：30-36

[6] 雷敏， 沈祖炎， 李元齐，等. 异形钢管混凝土柱研究现状[J]. 结构工程师， 2013， 29（3）：155-163.

[7] 白晓玮.混凝土损伤本构关系的研究与应用[D]. 郑州大学， 2017：19-24

[8] 马江霖，逄博，王宁，等.十字形型钢混凝土异形柱抗震性能研究[J].低温建筑技术，2018（08）：66-69.