基于ADINA的焊接箍筋钢板连梁抗震性能研究

富　腾,王兴国,葛　楠,陈海彬

(华北理工大学, 河北省地震工程研究中心, 河北唐山063009)



基于ADINA的焊接箍筋钢板连梁抗震性能研究

富腾,王兴国,葛楠,陈海彬

(华北理工大学, 河北省地震工程研究中心, 河北唐山063009)

摘要：为了利用有限元软件ADINA建立了焊接箍筋钢板—混凝土组合连梁数值计算模型，分别对嵌有8 mm，10 mm和12 mm钢板厚度的钢筋混凝土—钢板组合连梁的抗震性能进行计算分析。结果表明了连梁内的钢板厚度即含钢率对钢板—混凝土连梁的抗震性能具有显著的影响。连梁的抗震性能随着钢板含钢率的增大而改善。如果钢板厚度过小会导致连梁在地震时的延性和耗能性能不足；但若厚度过大会造成增大成本及施工难度增大等问题。为此，需要一个相对理想厚度的钢板，使钢板—混凝土连梁的抗震性能达到最优。

关键词：含钢率；钢板连梁；有限元分析；耗能性能

0引言

连梁在剪力墙结构体系中抵抗地震作用的第一道防线。它具有约束剪力墙体，消耗水平地震能量的功能。在连梁设计时应保证它具有足够的承载力、刚度、延性及耗能能力。而在跨高比较小(小于1.5∶1)时普通钢筋混凝土连梁通常会出现脆性破坏—剪切破坏的形式，使连梁很快失去承载力，刚度大幅度减小，墙肢弯矩较大，使结构发生倒塌[1]。一些研究者通过试验得出了在连梁中设置钢板可以提高连梁的抗剪承载力的结论[2-8]。张刚[9]和马思文等[10]分别通过有限元软件MARC和ABAQUS对钢板—混凝土连梁进行模拟，证实了以上试验工作的结论。然而在连梁钢板锚固进入墙肢的部位与剪力墙墙肢边缘构件中的水平箍筋在空间位置上产生矛盾。剪力墙边缘构件中的水平箍筋具有重要的作用，不仅要承受墙肢边缘构件中的剪力，而且主要为其中的竖向主筋及混凝土提供侧向约束，防止主筋屈曲，使混凝土处于三向受压状态，增加墙肢的延性。一个可行的解决办法是预先在钢板端部两侧焊接半开口环式箍筋，在施工时安装墙肢主筋之前，先安装连梁钢板，再将主筋穿入环箍并与下方的主筋连接，构成焊接半开口钢板—混凝土连梁，如图1所示。但这时环形箍筋将随同钢板在锚固区一起发生变形，可能对其受力状态产生不利影响。本文采用限元软件ADINA建立了焊接环式箍筋混凝土—钢板组合连梁的数值模型，模拟混凝土—钢板组合连梁在水平地震作用下的变形及破坏特征，分析不同钢板厚度对钢板—混凝土连梁抗震性能的影响。

图1焊接半开口箍筋的连梁钢板

Fig.1Schama of steel plate with semi-loop welded stirrup

1计算模型建立

1.1几何模型

结构中的钢筋混凝土连梁和剪力墙都采用的是结构试验中的双肢墙模型，比例尺为1∶2。两个墙肢的端部都设有翼缘，目的是为了固定试件和方便加载。在每侧翼缘上分别预留两排直径48 mm的孔，每侧8个。在连梁中设有钢板，三个试件的厚度分别为8 mm，10 mm和12 mm，宽度均为400 mm，长度均为1 350 mm，编号分别为S1、S2、S3，模型的几何参数如表1所示。钢板两端焊有半开口的箍筋作为相应位置墙肢水平箍筋。连梁纵筋以及箍筋的配筋率均取适中值。几何尺寸及横截面配筋如图2所示。ADINA中的结构模型由三部分组成，分别是墙肢，连梁混凝土和钢板及钢筋。

表1　连梁几何尺寸参数

图2钢板连梁几何模型

Fig.2Steel plate-reinforced coupling beams

1.2材料模型及单元类型

采用ADINA软件建立有限元数值分析模型。由于软件中提供的concrete模型计算效果不理想，因此混凝土近似采用elastro-plastic中multi-linear弹塑性本构关系。在定义混凝土材料时根据给定数据点，利用一系列直线平滑逼近弹塑性应力—应变关系。钢板和钢筋均采用bilinear弹塑性本构关系模型。混凝土、钢板和钢筋的应力—应变关系如图3所示：

(a) 混凝土

(b) 钢板和钢筋

图3材料应力—应变关系

Fig.3The stress-strain relationship of material

混凝土结构和钢板均采用3-D Solid单元，钢筋采用Truss单元中的Rebar单元，在Rebar中添加代表钢筋的直线，在混凝土solid单元划分时自动生成rebar单元，构成组合式有限元模型[11]。因为在连梁钢板的表面设置了栓钉，使混凝土与钢板在接触面上的滑移量很小或基本没有滑移，因此采用face-link将混凝土与钢板的接触面相连接[11]。各材料力学性能参数见表1和表2。

表2　C30混凝土单向应力状态下力学性能参数(标准值)

表3　钢筋与钢板力学性能参数(标准值)

将模型进行自由网格划分,划分之后的模型有限元网格图见图4。

1.3加载方案

采用低周往复加载的方式，如图5所示，用位移控制加载，这样可以反映出连梁的刚度退化性能、延性、耗能性能、承载力性质等反映抗震性能指标的变化。

图4有限元网格图

Fig.4Finite element mesh graph

图5低周往复加载位移时程曲线

Fig.5Displacement time history of low-frequency cyclic loading

2计算结果及分析

在往复加载条件下，累积塑性应变(accum_plastic_strain)从一个侧面反映材料累积损伤程度及耗能数值。混凝土的耗能能力差，因此其累积塑性应变反映了其破碎的程度(受拉开裂及受压破碎)，而钢板累积塑性应变主要是反映了耗能数量的大小(受拉及受压两个方向硬化做功)。对于钢筋，最主要的变形指标是受拉轴向应变(包括弹性应变与塑性应变两部分)，若超过0.025(材料模型设定)则表示钢筋已拉断。

试件S1、S2、S3的部分计算结果如下：在连梁混凝土与钢板图中，黑色色区域表示累积塑性应变值εaps>0.08。在钢筋图中，以垂直于钢筋轴线的线段长度代表钢筋的轴向应变值。

随着加载位移的增大，试件混凝土及钢板的累积塑性应变也随之增加，从图6，图7和图8可以看出，在所指定的塑性应变水平下，不同钢板厚度时，连梁混凝土塑性应变的分布是类似的，钢板塑性应变分布则有区别。随着钢板厚度的增大，累积塑性应变超过0.08的区域也有减小的趋势。试件S2、S3加载至60 mm时，连梁钢板的中部已不再出现相应水平的塑性应变，仅在连梁四角位置出现少量的累积塑性应变，说明随着钢板厚度的增大，钢板本身的损伤也减少了，因此钢板的延性增加。也可以看出，钢板累积塑性应变大于0.08的区域远小于连梁混凝土中相应的区域，说明钢板有进一步变形的潜力，具有延性与耗能能力的储备，因此设置钢板以后连梁的潜在延性及耗能能力增加了。

图6　试件S1混凝土、钢板及钢筋累积塑性应变

图7　试件S2混凝土、钢板及钢筋累积塑性应变

图8　试件S3混凝土、钢板及钢筋累积塑性应变

图9　试件滞回曲线

也可以看出连梁纵筋几乎没有塑性应变产生，而墙肢钢筋的塑性应变值较低，说明钢板对墙肢箍筋的影响较小，保证了墙肢箍筋对纵筋及混凝土的约束作用。

从图9可以看出，三种钢板厚度时滞回曲线均较为饱满，说明钢筋混凝土—钢板组合连梁具有较好的耗能能力。

因为混凝土近似采用了多线弹塑性材料，因此图9中可能反映不出试件刚度退化的性质。但是从图9中也可以看出，在加载位移40 mm之前，指定的钢板累积塑性应变区域很小，因此钢板的应变大部分为弹性应变，而钢板的弹性模量为混凝土弹性模量的7～8倍，因此可以推断连梁不会发生明显的刚度退化，也有进一步承担荷载的能力(40～60 mm，位移增加20 mm)，表现出较好的延性。

3结语

①混凝土—钢板组合连梁中，钢板的厚度对混凝土的变形影响较小，连梁混凝土会发生较大范围的开裂与破碎。

②钢板主要发生弹性变形，累积塑性应变值较大的范围远小于连梁混凝土中的范围，可以预期混凝土—钢板组合连梁不会发生明显的刚度退化现象。

③连梁滞回曲线较为饱满，具有较好的耗能特性。

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[11]江见鲸, 陆新征, 叶列平.混凝土结构有限元分析[M]. 北京:清华大学出版社,2005.

(责任编辑唐汉民梁碧芬)

Seismic performance study for welding stirrups steel plate composite beams with ADINA

FU Teng, WANG Xing-guo, GE Nan, CHEN Hai-bin

(North China University of Science and Technology，Hebei Earthquake Engineering

Research Center,Tangshan 063009,China)

Abstract:In order to study the influence of steel plate thickness upon the seismic performance of reinforced concrete-steel plate composite beams, numerical models for the beams were presented with finite element software ADINA. Results show that the seismic performance could be improved with the increase of steel plate thickness or steel ratio. A relative small thickness will lead to inadequate ductility and energy dissipation capability, while a large thickness lead to diseconomy and inconvenience in reinforcement arrangement. It is necessary that a reasonable steel plate thickness is determined to reach the optimized effectiveness.

Key words:steel ratio; steel plate composite coupling beam; finite element analysis; dissipation performance

中图分类号：TU312+.1

文献标识码：A

文章编号：1001-7445(2016)01-0091-08

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0091

通讯作者：王兴国(1966—)，河北唐山人，华北理工大学教授，工学博士；E-mail：tslgwxg@163.com。

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51378170;51478162);河北省重点项目(14965406D)

收稿日期：2015-11-20；

修订日期：2015-12-30

引文格式：富腾,王兴国,葛楠,等.基于ADINA的焊接箍筋钢板连梁抗震性能研究[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(1)：91-98.