L形方钢管混凝土组合异形柱弱轴抗震性能研究

康 寅,王 培

(1.青岛酒店管理职业技术学院 酒店工程学院,青岛 266100;2.青岛理工大学 理学院,青岛 266525)

近年来,异形柱结构以其独特的优势逐渐受到工程建设者的青睐。相较于框架结构,异形柱结构不露柱脚,不占用使用面积,建筑效果好;相较于剪力墙结构,异形柱结构柱肢短,造价低[1]。但是由于异形柱的质心与刚心不重合,导致其抗扭刚度及抗震性能均低于规则方柱[2]。我国规范[3]对异形柱结构的最大适用高度有严格的限制,且在8度(0.30 g)及9度区禁止使用异形柱结构,而这无疑对异形柱结构的推广产生了一定的影响。

为提高异形柱的抗震性能,参照钢管混凝土柱的设计思路,陈志华等[4]将多个方钢管混凝土柱用连接钢板相连,设计出了一种L形方钢管混凝土组合异形柱(LCFT柱),如图1所示。轴压[5]及压弯[6]承载力试验证明:LCFT柱的破坏模式以绕弱轴的扭转失稳为主,其承载力与普通混凝土异形柱相比有较大提升。周婷[7]对LCFT柱试件施加A向(图1)的低周反复作用,对其强轴的抗震性能进行了研究,试验证明:LCFT柱绕强轴方向的延性系数约为2.7,具有较好的抗震性能。鉴于上述研究基础,陈志华等将方钢管混凝土组合异形柱框架结构应用于汶川渔子溪村的灾后重建[8],取得了良好的社会效益和建筑效果。

图1 LCFT柱示意

综上所述,LCFT柱抗震性能良好,可用于工程实际。但这一研判多是基于其强轴的抗震性能,相关的试验及有限元模拟也多是从A向施加低周反复荷载。而L形截面存在弱轴且地震波的来向具有不确定性,因此本文利用ABAQUS有限元软件从B向(图1)对LCFT柱施加低周反复荷载,对其弱轴的抗震性能进行了研究。

1 试件设计

选用常用建筑材料C30混凝土及Q235钢材进行试件设计。如图2所示,参考常用民居建筑的层高,取柱高为3000 mm;为保证连接钢板的局部稳定,参考相关规范[9],在连接钢板的两侧对称设置横向加劲肋,外伸长度B取为(L′/30+40),纵向间距取为1.5L′,厚度与连接钢板相同,均为6 mm;为节约钢材降低造价,在连接钢板的中部开设圆洞,直径为0.5L′,纵向间距为1.5L′。试验以柱肢厚度H、方钢管壁厚t及柱肢长厚比n(n=L/H)为变量设计试件,试件编号及相关参数如表1所示。

图2 试件示意

表1 试件构造尺寸

2 有限元参数设计及验证

2.1 混凝土本构模型

采用塑性损伤本构模型[10],弹性模量取验证试验[7]的实测数据,其余参数参考相关试验[11]的有限元设置,如表2所示。

表2 塑性损伤本构模型参数

2.1.1 混凝土受压本构模型

钢管中的混凝土在受压时处于四面约束的状态,与普通混凝土的受力状态并不相同[12],为模拟其应力-应变特性,当应变ε≤10εc0时,选用与李威[11]相近的本构模型;当应变ε>10εc0时,为使模拟结果中骨架曲线的下降段与验证试验相契合,经试算,选用线性下降的本构关系,如式(1)所示。

(1)

式中:yc=σ/σc0;xc=ε/εc0;εc0=1300+12.5f′c+2ξ0.2·[1400+800(f′c/24-1)];σc0=[1+(-0.054ξ2+0.4ξ)·(24/f′c)0.45]·f′c;ξ=fyAs/fckAc;q=ξ0.745/(1+ξ);As,Ac分别为单根钢管混凝土柱中钢材截面面积和混凝土截面面积;f′c为混凝土圆柱体抗压强度;fy为钢材的屈服强度;fck为混凝土轴心抗压强度标准值。

混凝土受压本构模型如图3所示。

2.1.2 混凝土受拉本构模型

由于钢管与混凝土的接触面并不牢靠,受拉时可脱开,因此钢管围套对混凝土受拉本构模型的影响较小,可采用普通混凝土的受拉本构模型,如式(2)所示。

(2)

混凝土受拉本构模型如图4所示。

图4 混凝土受拉本构模型

2.2 钢材本构模型

钢材以金属材料力学性能试验[7]的实测数据为基础,采用“三折线”本构模型模拟循环荷载下的应力-应变关系,如图5所示。

图5 钢材本构模型

2.3 加载制度

有限元模拟采用与验证试验[7]相同的加载制度。取B向(图1)为位移的正方向,取B向的反向为位移的负方向,如图6所示。在试件达到屈服位移Δ之前,取级差为Δ/3,每级荷载循环1次;当试件达到屈服位移Δ之后,取级差为Δ,每级荷载循环3次。

图6 加载制度

2.4 有限元参数验证

周婷[7]以1/2的缩尺比例设计了LCFT柱试件W5,并利用低周往复试验对强轴向的抗震性能进行了研究。试件W5柱高1500 mm,柱肢长厚比n为3.5;单根钢管柱截面尺寸为100 mm×100 mm,外包钢板厚度为4 mm,轴压比为0.3。采用上述有限元参数建立试件W5的ABAQUS有限元模型,并将计算结果与试验数据进行对比,如图7和表3所示:二者极限荷载相近,骨架曲线基本吻合;利用几何作图法求得的各项抗震性能评价指标基本相同,误差低于10%。由此可知上述有限元参数可用于LCFT柱的有限元分析。

表3 有限元计算结果的误差分析

3 破坏现象及数据整理

3.1 破坏现象

数值模拟表明,在B向低周反复荷载下,LCFT柱进入塑性阶段后,犄角处的钢管柱柱底鼓曲,连接钢板变形,其破坏现象如图8所示。

图8 LCFT柱破坏云图

3.2 骨架曲线

将27个试件的骨架曲线按照柱肢厚度的不同进行归纳整理:当柱肢厚度为180,200,220 mm时,各试件骨架曲线随肢厚比n及方钢管壁厚t的变化规律如图9所示。

图9 各试件骨架曲线

3.3 延性系数

依据骨架曲线,采用几何作图法[13]求得各试件的屈服位移Δy、极限位移Δu和延性系数μ(μ=Δu/Δy),如表4所示。

表4 各试件屈服位移、极限位移和延性系数

4 理论分析

由表4可知,当肢厚H及肢厚比n较小,方钢管壁厚t较薄时,L形方钢管组合异形柱弱轴向的抗震性能较差。通过相关性分析[14]简化自变量的个数,再利用最小二乘法对表中数据进行二元二次曲线拟合[15]得各试件延性系数μ与肢长L、肢厚H、长厚比n及方钢管壁厚t之间的关系,如式(3)所示。

(3)

由式(3)得,可通过调整肢长L和增厚方钢管壁厚t的方式增大L形方钢管组合异形柱弱轴向的延性系数,获得与强轴向相近的抗震性能。除此之外,由表4可知,各试件的极限位移变化不大,均值为201.89 mm,极差仅7.7%,由此可得L形方钢管组合异形柱弱轴向层间极限位移角约为1/15。

5 结论

1) L形方钢管组合异形柱弱轴向的抗震性能较差,破坏模式以犄角处的钢管柱柱底鼓曲,连接钢板变形为主;延性系数μ与肢长L、肢厚H、肢厚比n及方钢管壁厚t之间的关系为μ=1.7913×10-5L2-0.0205L+0.2069t+7.0595,其中L=nH。

2) 可通过调整肢长L和增厚方钢管壁厚t的方式增大L形方钢管组合异形柱弱轴向的延性系数,使其获得与强轴向相近的抗震性能。

3) 当因建筑需求导致肢长L调整困难,或因增厚方钢管壁厚t导致造价过高时,应验算L形方钢管组合异形柱框架结构弱轴向的层间位移角,最大值不应超过1/15。