空腹箱形配斜拉钢筋SRC柱压弯剪扭抗震性能研究*

2020-06-12李帅

甘肃科技纵横 2020年5期

李帅

（陕西机电职业技术学院土木工程学院，陕西宝鸡 721001）

钢骨混凝土（简称SRC）柱由于具有承载力比混凝土结构高、抗震性能比混凝土结构好、防火性能比钢结构好等优点，所以在重要及高大的建筑结构中得到广泛应用［1-2］。然而在地震作用下，平面布置不规则或刚度突变结构的SRC柱不仅会承受压弯剪的共同作用，往往还可能受到扭矩作用的影响［3-5］。袁书强等［6］以扭弯比为分析参数分析了扭弯比对SRC柱受力及变形性能的影响，结果表明弯扭复合作用降低了SRC柱的抗弯、抗扭承载能力。为改善SRC柱在压弯剪扭下的抗震性能，许协隆等［7］在空腹箱形SRC柱中段设计了斜拉钢筋，对压弯剪扭状态下配斜拉钢筋的构件进行的试验研究，结果表明配置斜拉钢筋可以有效提高构件的抗扭刚度及极限承载力。

为深入研究压弯剪扭作用下配斜拉钢筋的空腹箱形SRC柱的抗震性能，本论述利用有限元软件ABAQUS建立了其有限元分析模型，以斜拉钢筋直径、扭弯比及轴压比等作为分析参数，对不同参数系列的模型进行了往复加载，研究不同参数变化对空腹箱形配斜拉钢筋SRC柱承载力、延性性能、刚度退化及耗能能力的影响，从而为抗震设计提供参考。

1 有限元模型

1.1 基本模型

基本模型几何尺寸参考文献［7］中的试验试件TMP-3，模型上下两端450 mm范围均为箍筋加密区，箍筋非加密段在钢筋笼内侧绑扎直径为8 mm的斜拉钢筋。所有钢筋都采用HRB400级钢筋，内部箱形钢管规格为□150×4.5，屈服强度为345 MPa，混凝土等级为C60，轴压比为0.3，扭弯为0.25。

有限元建模中混凝土采用塑性损伤模型，选用约束混凝土模型来模拟其单轴压应力-应变关系［8］。钢管及钢筋选用双折线随动强化模型，强化段的弹模取0.01Es［9］。内部钢管与混凝土的法向接触以硬接触来模拟，切向接触则应用库伦摩擦模型模拟，界面摩擦系数取 0.25［10］。应用“Embeded”将整个钢筋笼内嵌到混凝土之中，不考虑二者的滑移［11］。加载方式参考文献［7］试验，首先在柱子顶端加载梁的上部施加竖向荷载，其次在加载梁侧面施加水平偏心荷载，水平偏心荷载以位移进行控制，约束柱子下端混凝土和钢管所有方向的位移和转角，模拟嵌固结边界条件，有限元模型如图1所示。

图1 有限元分析模型

1.2 参数设计

在基本模型的基础上，本论述重点研究了斜拉钢筋直径、扭弯比和轴压比3个参数对配斜拉钢筋空腹箱形SRC柱压弯剪扭抗震性能的影响。模型具体参数见表1所列。

表1 模型参数

2 参数分析

根据参数设计，对不同参数系列的模型进行往复加载，研究参数变化对空腹箱形配斜拉钢筋SRC柱在压弯剪扭作用下的承载力、延性性能、刚度退化及耗能能力。

2.1 骨架曲线

图2为各参数系列空腹箱形配斜拉钢筋SRC柱模型的荷载-位移骨架曲线。由图2可知，直径系列模型的受力过程类似，骨架曲线弹性阶段基本重合，增大斜拉钢筋的直径，有益于提高模型的承载力，但当斜拉钢筋直径增大到8 mm后，继续增大斜拉钢筋直径对承载力的提高作用逐渐减弱；扭弯比增加，模型所受的扭矩增大，此时其承载力、初始刚度均会明显减小，骨架曲线下降段越陡峭，说明模型承受的扭矩越大，破坏速度越快，抗震能力越差；增大轴压比，可以提高模型的峰值荷载，但不利于模型的变形性能，当轴压比从0.5增大到0.7时，峰值后骨架曲线产生陡降，延性显著降低。屈服点由能量等效法确定，极限点取峰值荷载的85%对应的点［12］。

有限元计算各模型的特征点见表2所列。由表2可知，相对于未配斜拉钢筋的空腹箱形SRC柱模型，配斜拉钢筋的模型，由于斜拉钢筋对混凝土具有保护作用，且对内部箱型钢管及箍筋受力形成了有效分担，减慢了模型的承载力退化，未配斜拉钢筋模型的延性仅为3.07，而配置直径为6 mm斜拉钢筋模型的延性为5.11，说明配置斜拉钢筋可以明显改善模型的延性性能；增加斜拉钢筋的直径，可以提高模型的屈服荷载和峰值荷载，但是提高幅度有限，配置直径为6 mm斜拉钢筋模型的峰值荷载为147.8 kN，而配置直径达到10 mm斜拉钢筋模型的峰值荷载为154.8 kN；提高扭弯比可以明显降低模型的屈服荷载、屈服位移及延性，当扭弯比从0增加到0.5时，屈服荷载、峰值荷载值分别降低了55.0%、53.6%，位移延性系数则从5.98降低到了3.90，表明在扭矩的存在对空腹箱形SRC柱的抗震性能影响较大，需要在设计时加以考虑；增大轴压比，虽可以提高峰值点的荷载值，但却使屈服位移及位移延性系数均出现明显降低，变形能力下降，当轴压比从0.3增加到0.7时，模型的屈服荷载提高了15.2%，屈服位移及极限位移系数分别降低了26.7%、38.1%。

图2 模型骨架曲线

表2 有限元模型特征点

2.2 刚度退化

抗侧刚度即是结构产生单位位移所需要的荷载值，本文以割线刚度来描述空腹箱形配斜拉钢筋SRC柱模型的刚度退化，各参数系列模型的刚度退化曲线如图3所示。由图3可知，增大斜拉钢筋直径对模型的初始刚度影响较小，开始加载时各模型刚度退化曲线基本重合，随着加载位移的增加，斜拉钢筋直径越小的模型，刚度退化越快，当加载位移达到55.5 mm时，未配斜拉钢筋模型的刚度仅为2.15 kN·mm-1，而配置直径为10 mm斜拉钢筋模型的刚度达到2.67 kN·mm-1；当扭弯比从0增加到0.5时，初始刚度降低了51.7%，可见扭弯比越大，模型的初始刚度越小，随着加载位移的增大，扭弯比较大的模型早期刚度退化明显较快，后期逐渐减慢，不同模型的刚度差值减小；轴压比越大，模型的初始刚度越大，当加载位移达到74 mm时，轴压比为0.3的模型刚度为1.82 kN·mm-1，而轴压比为0.7的模型刚度为1.80 kN·mm-1，说明轴压比增大，有利于提高模型的初始刚度，但会造成模型的刚度退化加快。

2.3 耗能能力

本论述采用滞回环耗能E来衡量不同模型的耗能能力。图4为各参数系列模型的滞回环面积曲线。由图可知，随着位移的增加，各模型的滞回环面积均出现增长，耗能增加。增大斜拉钢筋直径，滞回环的面积有所增大，表明增大斜拉钢筋直径有益于提高模型的耗能能力；扭弯比对模型的耗能能力影响较大，当加载位移为74 mm时，扭弯比为0.5的模型滞回环面积为7.6 kN·m，而扭弯比为0的模型滞回环面积为29.5 kN·m，可见随着扭弯比的增大，模型的耗能能力明显降低；当加载位移较小时，轴压比的变化对模型的滞回环面积影响较小，当加载位移增加到55.5 mm后，轴压比越大的模型，滞回环面积越小，耗能能力越差。