钢管混凝土柱恢复力模型研究

2020-07-06朱铭

广东建材 2020年6期

朱铭

（江西交通职业技术学院）

0 引言

钢管混凝土构件是一种新型的组合结构，广泛应用于房建和大跨度拱桥中[1]。但由于近年来，我国地震频发，限制了钢管混凝土在地震区的应用。故研究钢管混凝土构件在地震作用下的动力响应问题迫在眉睫。

在地震作用下，结构会形成大量的恢复力与变形的关系曲线。如果直接将恢复力曲线用于动力非线性时程分析中，计算过程将十分复杂，故需要将恢复力曲线简化成恢复力模型来应用。目前，恢复力模型大多是建立在拟静力试验的基础上，根据试验所得滞回曲线来总结规律，按一定条件加以简化，最终建立构件的恢复力模型。

本文介绍了目前国内外常见的恢复力模型，并根据文献[2]中的实测荷载-位移曲线，提出了包含骨架曲线模型、滞回规则、刚度退化的钢管混凝土柱恢复力模型。

1 恢复力模型分类

目前有两大类恢复力模型：曲线型模型和折线型模型。曲线形模型是由连续的曲线构成，能很好地表达刚度变化，但是计算方法很复杂，导致其很少应用于实际工程的弹塑性分析。折线型模型则是由折线段构成，模型中存在突变点，不连续，但是计算简单，故应用广泛[3]。折线型恢复力模型有双线型、三线型、四线型、退化双线型、退化三线型和指向原点型等[4]，适合于不同限制条件下的构件。

1.1 双线型

双线型模型的形式简单，计算方便，并且考虑了钢材的包辛格效应，可作为钢筋混凝土构件的弹塑性分析的基础。但它只有弹性段和强化段，未考虑刚度退化，在结构设计中是偏不安全的。

1.2 三线型

与双线型相比，三线型考虑了刚度退化的影响，有弹性段、强化段和下降段，可以较好地反映钢筋混凝土构件的恢复力特性。

1.3 四线型

四线型模型是在三线型的基础上，引入了构件的开裂点，将开裂点、屈服点、峰值点、极限点作为骨架曲线模型的特征点，更加符合钢筋混凝土构件带裂缝工作的特性。

2 恢复力模型建立

本文采用试验拟合法来建立恢复力模型，现做以下假设：①屈服点与最大弹性荷载点重合；②弹性阶段，加载和卸载刚度为构件初始刚度，屈服点后，刚度随位移增加而退化；③模型中存在软化点。

2.1 骨架曲线模型

根据文献[2]的试验结果，计算两根圆钢管混凝土柱的骨架曲线特征点，为了消除不同钢管柱参数的影响，采用无量纲的形式，最终计算结果见表1。

表1 骨架曲线特征点无量纲值

依据表1 中的各特征点的无量纲坐标，得到骨架曲线的三线型模型，如图1。各阶段方程为：弹性段OA：P/Pm=1.464Δ/Δm，强化段AB：P/Pm=0.426Δ/Δm+0.574，下降段BC：P/Pm=-0.067Δ/Δm+1.067。

图1 三线型模型

2.2 刚度退化

随着循环次数的增大，当加载超过屈服点后，构件不会再以弹性刚度进行卸载，而是有一定的退化。本文按照文献[5]中的割线刚度来定义构件的刚度。经过对两根钢管混凝土柱的刚度进行回归分析，得到刚度退化的规律如下：

回归分析过程见图2。其中，横坐标为位移循环等级Δi/Δy，纵坐标为各级位移循环的刚度与破坏时的刚度比值Ki/Ku。

图2 刚度退化回归曲线

2.3 滞回规则描述

总结实测滞回曲线的规律，再结合骨架曲线模型和刚度退化规律，建立适合钢管混凝土柱的恢复力模型，如图3。

图3 恢复力模型

⑴模型采用无量纲坐标，结合骨架曲线的特征点和各级滞回环建立，图中A（D）为屈服点，B（E）为峰值点，C（F）为极限点。

⑵在弹性阶段，加载曲线沿骨架模型OA 进行，当在OA 段卸载时，沿着原路线返回原点。

⑶构件屈服后，随着循环次数的增加，卸载刚度降低。当在1 点开始卸载时，先卸载至2 点，接着反向加载至3 点，此时由于模型软化点的存在，导致在3 点处刚度发生突变，指向4 点。反向卸载至5 点，接着正向加载至6 点，6 点坐标与3 点坐标关于原点对称，最后回到1点，指向下一个滞回环。软化点的坐标可参考文献[6]，取相应位移循环的峰值承载力的0.2 倍。