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型钢高强高性能混凝土柱受力性能研究【摘要】针对施工过程中遇到的型钢高强高性能混凝土结构，采用开源结构非线性分析软件opensees，基于kent-scott- park 混凝土本构关系和giuffre-mengegotto -pinto钢材本构关系，建立型钢高强高性能混凝土柱的有限元模型，对试件的受力性能进行非线性数值模拟。
结果表明：该模型能较好的体现型钢高强高性能混凝土柱受力性能。
可为型钢高强高性能混凝土的设计和优化提供参考。
【关键词】型钢高强高性能混凝土；opensees；非线性；数值模拟1 引言型钢高强高性能混凝土 (steel reinfor ced high strength and high performance concr ete) 结构是新型混凝土高技术在型钢混凝土结构中的应用。
作为钢与混凝土相组合的新型结构形式，其具有高强度、抗震性能好等特点。
目前已广泛应用于大跨、大空间的工业厂房中。
实践证明型钢高强高性能混凝土结构能有效的提高结构的受力性能，大幅度地减小构件截面尺寸，从而减轻结构重量，增加使用面积。
本文将采用数值模拟的方法分析其受力性能，模拟结果表明其具有相当好的非线性模拟精度。
该有限元分析的结果可用于指导实际工程。
2 型钢高强高性能混凝土柱的有限元模拟研究2.1 opensees程序简介opensees全称为open systems for earthquake engineering simulation（地震工程模拟开放体系），该软件是由加州大学伯克利分校所研究开发的。
程序可进行结构工程及岩土工程领域的静力弹性和非线性分析、pushover拟动力分析、模态分析、动力线弹性分析与非线性分析等。
经证明，在以上各个分析中均能具有较好的数值模拟精度。
此外，opensees具有便于改进和协同开发，能保持国际同步等特点。
目前，该程序日益引起各国土木工程领域研究人员的高度关注。
2.2 单元选择本文拟采用的分析单元为非线性梁柱单元模型(nonlinear beam-column eleme nt)，此单元模型是基于纤维模型法的非线性单元。
型钢混凝土叠合梁的滞回性能与恢复力模型研究预制装配式结构以其设计灵活、工业化生产、装配式施工和有利于保护环境的优势在近些年来受到土木工程领域的关注。
本课题组基于型钢混凝土结构优异的抗震性能,采用部分预制部分现浇的设计思路,设计了三个系列型钢混凝土叠合梁试件,对各试件进行了低周反复荷载作用下的试验研究。
并综合分析现浇混凝土强度、剪跨比、二次浇筑的腹板类型以及腹板截面形式4个试验参数对型钢混凝土叠合梁滞回性能的影响。
结果表明:剪跨小的试件的滞回曲线呈现出轻微的反“S”形,而剪跨比大的试件的滞回曲线呈现饱满的梭形。
当加载至屈服以后,各试件均存在较为明显的刚度退化现象,各试件的骨架曲线具有较为明显的三折线特征,分别为达到屈服前的弹性阶段、从屈服到极限的强化阶段以及从极限到破坏的破坏阶段。
本文通过对剪跨比较大试件的骨架曲线进行归一化处理,得到各段折线的方程表达式,同时采用理论方法对骨架曲线特征点进行计算,最后对循环加载过程中的刚度退化规律进行线性回归,得到统一的加、卸载刚度计算公式,从而建立型钢混凝土叠合梁的恢复力模型。
通过计算曲线与试验曲线对比发现,该恢复力模型具有较好的适用性。
最后本文通过有限元计算软件ABAQUS建立型钢混凝土叠合梁的数值模拟计算模型,结果发现数值模拟计算曲线与试验曲线大致吻合,证明了此数值模拟方法的可行性。
恢复力模型恢复力是指结构或构件在外荷载去除后恢复原来形状的能力。
恢复力模型建立在3个层次上：材料恢复力模型、构件恢复力模型和结构恢复力模型。
恢复力模型包括骨架曲线和滞回规则两个部分。
骨架曲线应确定关键参数，且能反映开裂、屈服、破坏等主要特征；滞回规则一般要确定正负向加、卸载过程中的行走路线及强度退化、刚度退化和滑移等特征。
确定恢复力模型的方法有试验拟合法、系统识别法、理论计算法。
恢复力模型分曲线型和折线型，折线型因应用简便而被普遍采用，目前提出的折线型恢复力模型主要有双线型、三线型、四线型、退化双线型、退化三线型、定点指向型和滑移型等。
若仅用于静力非线性分析，恢复力模型一般是指力与变形关系骨架曲线的数学模型；而如果是用于结构的动力非线性时程分析，恢复力模型不仅包含骨架曲线，同时也包括各变形阶段滞回环的数学模型。
1887 年，德国Bauschinger 通过对钢材的拉压试验，指出当钢材在一个方向加荷超过其弹性极限后，对其进行反向加荷的弹性极限将显著降低。
此后钢材的这种现象就称作“包辛格效应”。
Penizen （1962）提出了一种适用于钢材的双线性恢复力模型，考虑了钢材的包辛格效应和应变硬化。
混凝土在重复循环荷载作用下的应力- 应变滞回关系，是钢筋混凝土结构抗震研究中的一个最基本的课题。
在钢筋混凝土结构中，混凝土主要是承受压力，因此混凝土的应力- 应变滞回关系的研究主要是针对混凝土在重复压力作用下的性能。
八十年代以来，考虑到地震作用下混凝土受到较高的应变速率的影响，混凝土本构关系的研究重点主要是对约束混凝土在不同应变速率下的应力-应变全过程进行试验研究，并致力于建立考虑应变速率影响的约束混凝土的应力- 应变关系的数学模型。
在结构的弹塑性地震反应分析中应用最为广泛的是双线性（Bi - linear）模型。
该模型首次由Penizen（1962）根据钢材的试验结果提出，考虑了钢材的包辛格效应和应变硬化。
钢支撑恢复力模型引言：钢支撑恢复力模型是一种用于估算钢结构在地震或其他外部荷载作用下的变形恢复能力的理论模型。
该模型在工程结构设计和抗震评估中具有重要的应用价值。
本文将介绍钢支撑恢复力模型的基本原理、应用场景以及相关研究进展，旨在增进读者对该模型的理解和应用。
一、钢支撑恢复力模型的基本原理1.1 钢支撑的作用原理和特点钢支撑是一种常用的结构加固技术，其作用是通过增加结构的刚度和强度，提高结构的抗震性能。
钢支撑具有高强度、刚度大、变形能力丰富等特点，能够有效地吸收地震能量，减小结构的变形。
1.2 钢支撑恢复力模型的基本假设钢支撑恢复力模型基于以下假设：钢支撑的恢复力与其变形程度成正比，且恢复力只与钢材的本构关系有关，与结构的初始状态和变形历史无关。
二、钢支撑恢复力模型的应用场景2.1 钢结构工程设计中的应用钢支撑恢复力模型可用于钢结构工程设计中的抗震设计和可靠度评估。
通过合理设置钢支撑的类型、数量和位置，可以提高结构的抗震性能，保证结构在地震作用下的安全性。
2.2 钢结构抗震评估中的应用钢支撑恢复力模型可以用于钢结构的抗震性能评估，通过分析结构的变形恢复能力，评估结构的抗震性能和耐久性，为结构的检修、加固和改造提供科学依据。
三、钢支撑恢复力模型的研究进展3.1 模型参数的确定方法钢支撑恢复力模型的参数包括钢材的本构关系和支撑的初始刚度等。
目前，研究者通过试验和数值模拟等方法，对这些参数进行了广泛研究和验证，为模型的应用提供了可靠的基础。
3.2 模型的改进和拓展为了更准确地描述钢支撑的恢复力特性，研究者对模型进行了改进和拓展。
例如，考虑了非线性效应、温度效应和疲劳效应等因素，提高了模型的适用性和预测能力。
结论：钢支撑恢复力模型是一种重要的工程理论模型，具有广泛的应用前景。
通过合理应用该模型，可以提高钢结构的抗震性能和可靠度，为工程结构的设计、评估和改造提供科学依据。
随着研究的不断深入，该模型将会得到进一步完善和发展，为工程实践提供更大的帮助。
第35卷第21期振动与冲击JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCK Vol.35 No. 21 2016钢筋混凝土柱的非弹性恢复力模型与参数识别余波，李长晋，吴然立(广西大学土木建筑工程学院，工程防灾与结构安全教育部重点实验室，南宁530004)摘要：结合Bmic-Wen-Baber-Ncxm (B W B N)模型和微分进化(D E)算法，提出了一种能够有效考虑强度退化、刚度退化和捏拢效应等典型滞回特性的钢筋混凝土（ RC)柱的非弹性恢复力模型及其参数识别方法,并讨论了破坏模式对RC柱非弹性恢复力模型参数的影响规律。
分析结果表明,该模型能够较好地描述弯曲、弯剪和剪切破坏模式下R C柱的 典型滞回特性;基于D E算法能够较好地识别R C柱的非弹性恢复力模型参数，具有收敛速度快、识别精度高和全局优化 性强等优点;RC柱的非弹性恢复力模型参数与破坏模式密切相关，随着R C柱的破坏模式从弯曲破坏到弯剪破坏和剪切 破坏的变化，强度退化、刚度退化、捏拢总滑移量、捏拢斜率等参数均逐渐增大，说明剪切破坏型R C柱的退化效应和捏拢 效应更加明显。
关键词：钢筋混凝土柱;非弹性;恢复力;破坏模式;参数识别中图分类号：TU311.4 文献标志码：A D0I ：10. 13465/j. c n k i. jvs. 2016.21.036Inelastic restoring force model and its parametric identification for reinforced concrete columnsYU Bo, LI Changjin, WU Ranli(K ey Laboratory o f D isaster P revention and S tru ctu ra l Safety o f M in is try o f E d u c a tio n,School o f C iv il E ngine erin g &A rc h ite c tu re, G uangxi U n iv e rs ity, N ann ing 530004, C hina ) Abstract：The inelastic restoring force model and its parameter identification for reinforced concrete ( RC ) columns were studied by combining the differential evolution ( DE) algorithm with Bouc-Wen-Baber-Noori ( BWBN) model considering the typical hysteretic behaviors, such as, strength degradation, stiffness deterioration and pinching effect. The influences of failure modes on the model parameters of inelastic restoring force of RC columns were also discussed. The analysis results indicated that the hysteretic behaviors of restoring force of RC columns can be described rationally with the proposed inelastic restoring force model; the proposed method for the parameter identification of the inelastic restoring force model has a rapid convergence speed, a high identification accuracy and the strong capability of global optimization ；the failure mode has a significant effect on the model parameters of inelastic restoring force of RC columns; the model parameters including strength degradation, stiffness deterioration, total slip of pinching and pinching slop increase gradually when the failure mode changes from flexure failure to flexure-shear failure and shear failure, so the deterioration and pinching effects of the shear failure type of RC columns are more obvious.Key words：reinforced concrete column；inelastic;restoring force;failure mode; parameter identification钢筋混凝土（RC)柱是工程结构的重要承力构件，在地震作用下容易发生损伤破坏，是结构抗震分析与设计的重要对象。
基金项目：2010年江南大学“国家大学生创新性实验计划”( 101029522)；中央高校基本科研业务费专项资金（JUSRP21005）；） *通讯作者：邹 昀(1967)，女，安徽人，教授，博士，主要从事高层抗震研究(E-mail: zouyun_22@)型钢混凝土柱循环荷载下的数值模拟王城泉，邹昀*，郭翔（1. 江南大学 环境与土木工程学院，江苏 无锡 214122）摘要：利用有限元分析软件ABAQUS 建立二组钢骨混凝土柱与普通混凝土柱的对比分析模型，进行了单调加载与循环往复加载下的非线性有限元分析。
对比分析结果表明，单调加载下型钢混凝土柱（SRC ）的承载力与变形能力明显高于普通混凝土柱（RC ）；在循环往复荷载作用下，型钢混凝土柱的滞回环比普通混凝土柱饱满。
进一步比较分析轴压力系数对型钢混凝土柱的滞回特征、耗能和骨架曲线的影响。
分析结果发现，柱轴压力系数的变化对型钢混凝土柱的耗能有一定影响。
计算结果对工程型钢混凝土柱的设计和应用有一定借鉴作用。
关键词：型钢混凝土柱；有限元分析；滞回曲线；耗能Non-linear Numerical Simulation on Hysteretic Behavior of SRC ColumnsWANG cheng-quan, ZOU Y un, GUO xiang(1. School of Environment and Civil Engineering, Jiangnan University, Wuxi Jiangsu 214122, China)Abstract:Two groups contrasting analysis models referring to SRC column and RC column are established by using finite element software ABAQUS. Both Static and cycle force are conducted. Analytical results show that bearing capacity and deformation ability of steel embedded reinforced concrete columns (SRC) under static loading are obviously higher than those of the reinforced concrete column (RC). Under the cycle force, the hysteresis circles of the SRC columns are fuller than RC column. The capability of energy consumption of the SRC columns is almost 1.4 times more than the RC columns. Further axial pressure coefficient is considered as parameters to study hysteresis characteristics, energy dissipation and the influence of the skelet on curve of SRC columns. The analytical results demonstrate that the hysteresis characteristics and energy dissipation are different with the changes of a xial pressure coefficient. The study results have some value on the design and application of the SRC columns. Keyword: steel embedded concrete columns; finite-element analysis; hysteresis curve; energy dissipation1 引言型钢混凝土（SRC ）结构是钢—混凝土组合结构的一种形式。
与传统的钢结构或混凝土（RC ）结构相比，SRC 结构具有很强的性能优势和经济优势，在国内外被广泛应用[1-2]。
恢复力模型是根据大量从试验中获得的恢复力与变形的关系曲线经适当抽象和简化而得到的实用数学模型，是结构构件的抗震性能在结构弹塑性地震反应分析中的具体体现。
国内外有关专家学者对普通混凝土框架柱在恢复力特性方面作了大量的试验研究，并提出了一系列的恢复力特性的计算模型，这些研究成果对型钢混凝土构件恢复力模型的研究具有重要借鉴意义。
型钢混凝土结构是介于钢筋混凝土结构和钢结构之间的一种结构，它兼有钢筋混凝土和钢结构的一些特点，构件的恢复力特性也介于两者之间。
当型钢含量较少时，恢复力特性接近于钢筋混凝土构件的特性；当型钢含量较多时，型钢混凝土构件在一定条件下明显地具有了钢构件的某些特性。
故在此，对型钢混凝土的恢复力特性进行非线性数值模拟。
2 有限元分析模型2.1 构件基本信息有限元模型的长度采用 1.5m ，保护层厚度为25mm ，采用对称配筋。
型钢的翼缘宽度为150mm 、厚度、10mm ，腹板的宽度为6mm 、高度为180mm 。
图2.1 SRC 柱截面图图2.2 有限元分析模型型钢混凝土柱的截面如图2.1所示；用于对比分析的普通混凝土柱的截面尺寸与配筋同型钢混凝土柱。
分析模型中混凝土、钢筋及型钢采用ABAQUS 中的实体Solid 单元；纵筋和箍筋采用Wire 单元，如图2.2所示。
2.2 材料的本构关系2.2.1 混凝土本构关系对于SRC 柱的可划分为箍筋外无约束混凝土区和箍筋内有约束混凝土区，箍筋外认为砼处于单轴受压应力状态，认为混凝土处于单轴受压应力状态，采用Saenz 模型来模拟无约束区混凝土单轴受压应力一应变关系。
箍筋内认为混凝土处于多轴受力状态，可等效为单轴受压应力状态，所采用的混凝土应力-应变曲线如图2.2所示。
图2.2 混凝土受压的应力-应变关系2.2.2 钢材本构关系分析中纵筋、箍筋和型钢均采用常用的多折线性随动强化模型(MKIN)，如图2.3所示。
泊松比均为0.25。
钢材受拉超过屈服平台后进入强化段，强化段简化为直线，屈服平台对应的最大应变即假设为εs =4εy 。
受拉钢筋和型钢翼缘的极限拉应变根据f y ，f u ，E 1，E 2计算得到。
分析模型中钢材的力学性能指标如表2.3。
图2.3 钢材本构关系 表2.1钢材材料性能类型d,t/mmy f /MPab f /MPaΦ12 12 2020 353.79 574.22 Φ8 8 2570 513.40 523.35 Φ1010 2330 466.11 492.80 型钢61530309.59403.953 SRC 柱与RC 柱对比分析3.1 单调加载下的性能对比为了研究型钢对混凝土柱力学性能的影响，建立二组SRC 柱与RC 柱的对比分析模型，，二组试件采用不同的轴压比，其余信息均相同。
如相同的截面尺寸、混凝土等级以及箍筋配筋率。
构件的基本信息如表3.1所示。
在柱顶施加相同的位移，单调荷载作用下得到各构件的的P-△曲线。
对比分析结果如下图3.1所示。
图3.1反映出在截面尺寸与材料特性相同的材料相同的情况下，钢骨对于柱的承载力有明显提高，同时，构件的变形能力也得到改善。
表3.1 SRC 柱与RC 柱模型参数构件编号 k cu f ,/MPav ρ(%)k nSRC125.9 1.86 0.8 RC1 25.9 1.86 0.8 SRC2 25.9 1.86 0.6 RC225.91.860.6/y εμε图3.1 SRC柱与RC柱的 P-△对比曲线3.2SRC柱与RC柱的滞回性能分析循环往复荷载作用下，得到不同构件的滞回曲线。
将各组钢骨混凝土柱与普通混凝土柱模型的滞回曲线绘制在于同一幅图中，如图3.2所示。
很显然，钢骨混凝土柱与普通混凝土柱的滞回特性具有明显差异，钢骨混凝土柱的滞回曲线比普通混凝土柱的滞回曲线饱满，说明地震作用下，钢骨混凝土柱的抗震性能得到了明显改善。
利用最大的滞回环进一步计算的二柱的耗能能力，耗能结果对比见表3.2。
表3.2看出，型钢混凝土柱的耗能能力达到普通混凝土柱的1.4倍以上。
轴压比越小，型钢混凝土柱的耗能能力提高越多。
图 3.2 SRC与RC柱滞回曲线对比4 轴压比对SRC柱滞回性能的影响建立SRC3、SRC4 、SRC5三根柱模型，轴压比分别为0.15、0.30和0.40，模型具体参数见表4.1。
4.1 滞回曲线循环往复荷载作用下，得到不同构件的滞回曲线。
得到滞回曲线如图4.1所示。
表3.2 耗能结果对比Table 3.2 Comparison of energy dissipation 构件编号耗能/KJ SRC/RCSRC1211.283 2.03RC1 104.036 1.0SRC2 204.034 1.47RC2 138.817 1.04.1.2 耗能能力和骨架曲线绘出三根构件最大的滞回环，如图4.2所示。
通过计算滞回环所包围的面积可以得到，不同轴压比下型钢柱的耗能能力，耗能结果对比见表4.2。
图 4.2 不同轴压比SRC柱滞回环图4.3 不同轴压比SRC 柱骨架曲线5 结论本文利用有限元分析软件ABAQUS 对型钢混凝土柱（SRC ）进行了静力加载与循环往复加载下的非非线性有限元分析。
得到结论如下：（1）单调加载下型钢混凝土柱（SRC ）的承载力与变形能力明显高于普通混凝土柱（RC ）。
（2）在循环往复荷载作用下，型钢混凝土柱的滞回环比普通混凝土柱饱满，型钢混凝土柱的耗能能力达到普通混凝土柱的1.4倍以上。
（3）相同条件下，轴压比对型钢混凝土柱的滞回特征、耗能和骨架曲线有影响，随着柱轴力越减小，型钢混凝土柱的耗能能力有所降低。
参考文献：[1] 郭子雄，张志伟，黄群贤，刘阳．型钢混凝土柱恢复力模型试验研究．地震工程与工程振动，2009，29(5)：10-16 [2] 朱伯龙，张琨联．矩形及环形截面压弯构件恢复力特性的研究[J]．同济大学学报，1981，9(2)：l-10．[3] Kim S.E. and Chen W.F., Practical advanced analysisfor(a) SRC3模型(b) SRC4模型(c) SRC5模型图 4.1 不同轴压比SRC 柱滞回曲线表4.1 不同轴压比下模型的参数 Table 4.1 Model parameters构件编号 k cu f ,/MPav (%)k nSRC3 25.9 1.19 0.15 SRC4 25.9 1.19 0.30 SRC525.91.190.40表4.2 不同轴压比SRC 柱耗能结果对比构件编号 耗能/KJ SRC3 230.697 SRC4 246.407 SRC5261.364braced steel frame design[J]．Structural Engineering, 1996,122(11):1259-1265.[4]郭子雄，吕西林．高轴压比下RC框架柱恢复力模型试验研究[J]．土木工程学报，2004，37(5)：32-38．[5]刘良林，王全凤，沈章春．，基于损伤的累积滞回耗能与延性系数[J]．华侨大学学报(自然科学版)，2009，30(2) ：186-190[6]M.Geromel and O.Mazzarella. Experimental and analyticalassessment of the behavior of stainless steel reinforcedconcrete beams [J]. Materials and Structures, 2005, 38(2):211-218[7]Wenzhong Zheng and Jing Ji. Dynamic performance ofangle-steel concrete columns under low cyclic loading-I:Experimental study [J]. Earthquake Engineering andEngineering Vibration, 2008, 7(1): 67-75[8]蒋东红，王连广，刘之洋．高强钢骨混凝土框架柱的抗震性能[J]．东北大学学报(自然科学版)，2002，23(1)：67-70．作者简介：王城泉，男，江南大学土木工程专业在读本科生，1989年4月出生，山东诸城市人。
