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方钢管混凝土压弯构件荷载-位移滞回性能研究*陶 忠 韩林海(哈尔滨建筑大学 哈尔滨 150090)摘 要:在弯矩-曲率滞回关系分析的基础上,利用数值方法计算方钢管混凝土压弯构件的荷载-位移滞回关系,并对计算结果进行了大量试验验证。
在理论分析和试验验证的基础上,全面考察构件轴压比、长细比等参数对滞回关系的影响,最后给出构件荷载-位移滞回关系恢复力模型及构件位移延性系数等的简化计算公式。
关键词:方钢管混凝土 滞回性能 轴压比 长细比 恢复力模型 延性系数RESEARCH ON THE LOAD -DEFORMATION HYSTERETIC BEHAVIORS OF CONC RETE FILLED SQUARE STEEL TUBES SUBJEC TED TO COMPRESSION -BENDINGTao Zhong Han Linhai(Harbin University of Civil Engineeri ng and Architecture Harbin 150090)Abstract :On the basis of analysis of the moment -curvature hysteretic behavior,a numerical anal ysis method isapplied to analyze the load -deformation hysteretic behavior of concrete fil led square steel tubes,and the analytical results agree w ell w ith those of the tests satisfactorily.T hen the influencing factors to skeleton curve such as axial compression rati o,slenderness ratio are illustrated.Fi nally,a restoring force model of the load -deformation is presented and the corresponding simplified formulae of the parameters in th e model and ductility coeffici ent are proposed as w ell.Keywords :concrete filled square steel tubes hys teretic behavior axial compression rati o slendernes s rati orestoring force model ductility coefficient*霍英东教育基金会资助项目。
文章编号:100926825(2009)0120106202钢筋混凝土受弯构件恢复力模型研究收稿日期:2008208218作者简介:吴年超(19832),男,助理工程师,江西赣粤高速公路工程有限责任公司,江西南昌 330013徐一卓(19822),男,助理工程师,西安市市政设施局桥梁维护管理所,陕西西安 710000吴年超 徐一卓摘 要:介绍了各种组成材料的恢复力模型,在此基础之上,对现今的混凝土构件恢复力模型存在的问题进行了阐述,为工程设计人员更好地理解此类构件的本构关系,同时为指导抗震设计工作提供一定的借鉴。
关键词:钢筋混凝土,抗震,恢复力模型,本构关系中图分类号:TU375文献标识码:A0 引言在抗震设计中,对于预应力混凝土构件的塑性铰截面是否具有足够的能量耗散能力是备受关注的问题。
结构或构件在荷载循环往复作用下得到的荷载—变形曲线叫做滞回曲线,滞回曲线的外包络线称为骨架曲线。
滞回曲线与骨架曲线合称恢复力曲线,它表示结构或构件的变形履历过程[1]。
实际的恢复力特性需简化成一定的恢复力模型才能用于结构分析与计算。
恢复力模型是描述结构所受外力与仅由此外力引起的位移之间的函数关系的数学模型。
1 钢筋的应力—应变滞回关系研究早在1887年,德国J ,Bauschinger 通过对钢材的拉压试验,指出当钢材在一个方向加载屈服后,反向加载屈服应力显著降低。
此后这种现象就被称作“包辛格效应”。
钢筋的滞回特性常通过应力、应变的隐式函数来描述,主要有两种方法:1)基于钢筋的应力—应变本构关系;2)基于几何近似的有限单元表达式,如基于位移的考虑几何约束的有限单元和截面模型。
钢筋混凝土构件中考虑钢筋的包辛格效应对构件滞回性能影响的研究始于20世纪60年代。
Singh 等于1965年指出钢筋的包辛格效应会影响钢筋混凝土构件塑性阶段的滞回性能。
此后,Agrawl ,Brown 以及K ent 等开展了钢筋应力—应变滞回特性的研究,提出了许多考虑钢筋硬化和包辛格效应的应力—应变滞回模型。
圆钢管再生混凝土柱抗震性能影响因素有限元分析张向冈;陈宗平;薛建阳;苏益声【期刊名称】《世界地震工程》【年(卷),期】2017(33)2【摘要】为深入而全面地研究圆钢管再生混凝土柱的抗震性能,在试验研究和有限元分析的基础上,改变构件的设计参数,进行了27个足尺构件的有限元拓展分析。
获取了滞回曲线、骨架曲线、延性系数、耗能性能等抗震性能指标,揭示了设计参数对抗震性能指标的影响规律。
结果表明:基于抗震性能指标需求,圆钢管再生混凝土应用于实际工程承重结构中是可行的。
随着含钢率的增大,滞回曲线越来越饱满,峰值承载力和位移延性系数越来越大。
随着钢材牌号的增大,滞回曲线越来越饱满,构件的峰值承载力增大,位移延性系数变化幅度远远小于5%,同级循环位移下构件的耗能系数逐渐减小。
随着轴压比的增大,峰值承载力和延性减小,同级循环位移下各构件的耗能系数逐渐增大。
【总页数】9页(P211-219)【关键词】圆钢管再生混凝土柱;抗震性能;有限元拓展分析;设计参数;足尺试件【作者】张向冈;陈宗平;薛建阳;苏益声【作者单位】河南理工大学土木工程学院;广西大学土木建筑工程学院【正文语种】中文【中图分类】TU398.9;TU317.1【相关文献】1.T形钢管再生混凝土柱抗震性能有限元分析 [J], 杨德健;门雅爱;王威赛2.方钢管再生混凝土柱-钢梁节点的抗震性能试验与影响因素分析 [J], 朱凯;张震;陈凯祥3.异形钢管再生混凝土柱抗震性能有限元研究与影响因素分析 [J], 黄帮友;朱凯;龚玉云4.钢管再生混凝土柱钢梁节点抗震性能非线性有限元分析 [J], 张阳阳;唐榕;朱凯5.T形钢管再生混凝土柱抗震性能有限元分析 [J], 杨德健;门雅爱;王威赛;因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
T型焊接圆钢管节点在轴向循环荷载作用下滞回性能的有限元分析摘要:焊接圆钢管节点的抗震性能一般可以通过其滞回性能评估。
基于ABAQUS有限元分析的方法,研究了反复轴力作用下T节点的滞回曲线。
分析结果发现焊接T节点的滞回曲线十分饱满,表明处于地震等强动力作用下的T节点在破坏之前可以消耗较多能量,从而避免过早的脆性断裂。
基于滞回性能的分析,得出焊接圆钢管T节点具有较强的抗震能力的结论。
关键词:T型圆钢管节点滞回性能有限元分析耗能性1 前言圆钢管的应用近几年得到迅速发展,尤其是在空间结构和大跨结构中,如桥梁、体育场、海洋平台和机场等。
钢管结构符合钢结构的最新设计理念,即将构件的材料使用率、承重与稳定这三方面进行合并,发挥结构的空间作用。
圆管和方管的对称截面形式使得截面的惯性矩两轴相同,有利于单一构件的稳定性设计;截面闭合提高了抗扭刚度,有利于板件的局部稳定:与具有同样承载性能的开口截面相比,钢管截面外表面积较小,减少了防腐防火涂层的材料消耗和涂装工作量,对受风载的结构,钢管结构所具有的光滑表面比用其它型钢制造的类似结构所引起的风动载荷要小的多。
虽然就单价而言,钢管价格高于普通开口截面形式的型钢,但采用钢管结构带来良好的综合效益依然使得钢管结构成为优选的基本结构形式之一。
钢管之间通过焊接组成了焊接管结构,这其中焊接部位称为管节点。
通常的管节点都是主管直通,而支管直接焊接到主管表面上。
由于节点部位存在很高的应力集中,因此这个部位也是最容易发生破坏的位置。
虽然前期的工作中对焊接管节点的静力性能进行和大量研究工作,并且我国钢结构规范也对这方面的计算提供了方法。
但是对于地震等强动力作用下管节点的性能研究仍有待深入,因此本文对焊接圆钢管节点进行了轴向往复荷载作用下的有限元,以作为进一步研究圆钢管结构抗震性能的基础。
2 焊接圆钢管节点的有限元模型对于一个典型的圆钢管T节点,其几何构造如图1所示,其中各个参数的几何意义如下:D——主管的外部直径；L——主管的长度；T——主管的壁厚；d——支管的外部直径；l——支管的长度；t——支管的壁厚；θ——支管轴线与主管轴线的夹角(T节点取θ=90°)；对于钢材的材料参数取值,按照以下赋值:钢管材料为各向同性的理想弹塑性材料,服从V onMises屈服准则,钢材本构关系采用双线性模型,屈服后材料的模量为弹性模量的1/200。
国内图书分类号：TU392.3学校代码：10213 国际图书分类号：624 密级：公开工学硕士学位论文设置传力构件的圆形钢管混凝土柱受力性能研究硕士研究生：马亮导师：傅学怡教授申请学位：工学硕士学科：土木工程所在单位：深圳研究生院答辩日期：2012年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学Classified Index: TU392.3U.D.C: 624Dissertation for the Master Degree in EngineeringRESEARCH ON CONCRETE-FILLED CIRCULAR STEEL TUBE COLUMN WITH FORCETRANSMISSION MEMBERSCandidate：Ma LiangSupervisor：Prof.Fu XueyiAcademic Degree Applied for：Master of Engineering Speciality：Civil EngineeringAffiliation：Shenzhen Graduate SchoolDate of Defence：June, 2012Degree-Conferring-Institution：Harbin Institute of Technology摘要随着建筑技术的快速发展，高层建筑和超高层建筑已经成为现代建筑发展的必然趋势，由于核心混凝土受到钢管的紧箍作用，钢管混凝土具有抗压承载力大，延性好等优点，因此在高层和超高层建筑中已经取得了较为广泛的应用，但实际工程中钢管混凝土两种材料的共同工作问题难以得到保证，结构可能因此存在着安全性问题。
目前为止，国内外实际应用的钢管混凝土柱在受到外荷载时，荷载都首先作用于钢管壁，然后再通过核心混凝土与钢管壁之间的粘结摩擦作用传递给核心混凝土，已有的钢管混凝土柱轴压试验表明，当荷载直接作用在外钢管上时，钢管与核心混凝土共同工作的能力并得不到保证。
收稿日期:2003-10-24; 修回日期:2003-11-27 基金项目:福建省重大科技项目(2002H070)资助. 作者简介:杨有福(1975-),男,博士,主要从事组合结构研究.文章编号:1000-1301(2003)06-0117-07圆钢管混凝土压弯构件荷载-位移滞回模型研究杨有福,韩林海(福州大学土木建筑工程学院,福建福州350002)摘要:本文采用数值计算方法,对圆钢管混凝土压弯构件荷载-位移滞回关系曲线进行了理论分析。
理论计算结果与实验结果吻合良好。
基于理论模型,分析了各参数,如构件轴压比、长细比、截面含钢率和材料强度等对圆钢管混凝土压弯构件荷载-位移滞回曲线的影响。
最终提出一种圆钢管混凝土压弯构件荷载-位移滞回模型及位移延性系数的简化计算方法。
关键词:钢管混凝土;圆形截面;滞回性能;滞回模型;延性系数中图分类号:P315.9 文献标识码:A Research on load -displacement hysteretic model of concrete -filledcircular steel tu bular beam -columnsYANG You -fu ,HAN Lin -hai(College of Civil Engineering and Architecture ,Fuzhou University ,Fuzhou 350002,China )A bstract :Numerical method is used to analy ze the load -displacement hysteretic behaviors of concrete -filled circu -lar steel tubular beam -columns in this paper .The analy tic results agree well w ith the experimental ones .Based on theo retical model ,influences of several parameters ,such as axial load level ,slenderness ratio ,steel ratio and strength of the materials on the load displacement hysteretic curves are analyzed .Finally ,a kind of load -dis -placement hysteretic model and simplified calculating method for the ductility coefficient of concrete -filled circu -lar steel tubular beam -columns are put forw ard .Key words :concrete -filled steel tube ;circular section ;hy steretic behaviors ;hysteretic models ;ductility coefficient 1 前言 钢管混凝土由于具有承载力高、塑性和韧性好、施工方便和经济效果好等优点,在工程实践中取得了越来越广泛的应用[1]。
以往,国内外学者对圆钢管混凝土压弯构件荷载-位移滞回性能进行了较多研究,例如,Boyd 等(1995)[2],Shams 和Saadeg hvaziri (1997)[3],Fujinag a 等(1998)[4],Elrem aily 和Azizinamini (2002)[5],蔡绍怀等(1992)[6 〗,钟善桐(1994)[7],屠永清(1994)[8],韩林海等(2001)[9]。
但对圆钢管混凝土构件荷载-位移滞回模型的研究则不多见[7～9]。
本文采用纤维模型法,对圆钢管混凝土压弯构件荷载-位移滞回关系曲线进行了理论分析,计算结果得到实验结果的验证。
在文献[9]提出的圆钢管混凝土压弯构件荷载-位移滞回模型的基础上,考虑更大的参 第23卷第6期2003年12月地 震 工 程 与 工 程 振 动EA RT HQ UAK E ENG IN EERI NG A ND ENG IN EERIN G V IBRA T ION V ol .23,No .6Dec .,2003数范围,提出一种适用性更强的圆钢管混凝土压弯构件荷载-位移滞回模型及位移延性系数的简化计算方法。
2 荷载-位移滞回关系的计算 利用与弯矩-曲率滞回关系曲线分析方法类似的方法,即可计算出圆钢管混凝土压弯构件荷载(P )-位移(Δ)滞回关系全曲线[10]。
计算结果表明,圆钢管混凝土构件P -Δ滞回关系曲线的骨架线无论有下降段与否,曲线形状饱满,捏缩现象不明显。
理论计算P -Δ滞回关系曲线和实验结果基本吻合,由于篇幅有限,仅给出部分算例。
图1所示为圆钢管混凝土压弯构件P -Δ滞回关系曲线计算结果和实验结果的对比情况。
图中,D 为钢管直径;t s 为钢管壁厚;L 为构件计算长度;f y 为钢材屈服极限;f cu 为混凝土抗压强度;N 为作用在构件上的轴向荷载;P 为水平荷载;Δ为水平位移。
图1 圆钢管混凝土压弯构件P -Δ滞回曲线3 荷载-位移滞回关系骨架线特点 骨架曲线就是连接各次循环加载峰值点的曲线,计算结果表明,圆钢管混凝土压弯构件荷载-变形滞回曲线的骨架线与单调加载时荷载-变形关系曲线(虚线)基本重合,如图2所示。
下面通过典型算例来分析各参数,如:轴压比(n )、长细比(λ)、含钢率(α)、钢材屈服极限(f y )和混凝土抗压强度(f cu )等对P -Δ关系骨架曲线的影响。
计算的基本条件为:直径D =400m m ,含钢率α=0.1,钢材屈服极限f y =345M Pa ,混凝土强度f cu =60MPa ,计算长度L =4000mm ,轴压比n =0.4。
(1)轴压比(n )图3给出了不同轴压比情况下的P -Δ关系骨架曲线。
从图中可以看出,轴压比[n =N /(φA sc f sc y )]对曲线的形状影响较大,·118· 地 震 工 程 与 工 程 振 动 23卷图2 P -Δ滞回关系曲线与单调加载曲线对比轴压比越大,构件的水平承载力将越小,而且超过峰值点后下降段的下降幅度随轴压比的增大而增大,即构件的位移延性越来越小。
从图中还可以看出,轴压比对曲线弹性阶段的刚度几乎没有影响,这是由于在弹性阶段,构件的变形很小,轴向荷载的二阶效应并不明显所致。
(2)长细比(λ) 图4所示为不同长细比情况下的P -Δ关系骨架曲线。
从图中可以看出,构件的长细比不仅会影响曲线的数值,还会影响曲线的形状。
随着长细比的增加,弹性阶段的刚度越来越小,水平承载力也逐渐减小。
图3 轴压比对P -Δ关系骨架曲线的影响图4 长细比对P -Δ关系骨架曲线的影响 (3)含钢率(α)图5所示为含钢率对P -Δ关系骨架曲线的影响。
可以看出,随着含钢率的提高,构件弹性阶段刚度和水平承载力都有所提高,下降段的下降幅度则基本一致。
但总的来说,含钢率主要影响曲线的数值,对曲线的形状影响不大。
(4)钢材屈服极限(f y ) 图6所示为钢材屈服极限对P -Δ关系骨架曲线的影响。
可以看出,钢材屈服极限对曲线的形状影响不大,但随着钢材屈服极限的增大,构件的水平承载力将逐渐增大。
图5 含钢率对P -Δ关系骨架曲线的影响图6 钢材屈服极限对P -Δ关系骨架曲线的影响·119·6期 杨有福等:圆钢管混凝土压弯构件荷载-位移滞回模型研究 (5)混凝土抗压强度(f c u )图7所示为混凝土抗压强度对P -Δ关系骨架曲线的影响。
可以看出,混凝土强度的改变对构件在弹性阶段的刚度和水平承载力等的影响都较小,但随着混凝土强度的增大,构件的位移延性有逐渐减小的趋势。
4 荷载-位移滞回模型 综上所述,圆钢管混凝土压弯构件的P -Δ滞回特性随其受力性质、材料性能和几何尺寸等的不同而变化。
为了便于工程设计应用,有必要提供P -Δ滞回模型的简化确定方法。
经对大量计算结果的分析,发现在如下参数范围内,即n =0～0.9,α=0.03～0.2,λ=10～80,f y =200～500M Pa ,f cu =30～90M Pa 及约束效应系数ξ=0.2～4,圆钢管混凝土压弯构件的荷载-位移滞回模型可采用图8所示的三线型模型,其中,A 点为骨架线弹性阶段的终点,B 点对应的水平荷载定义为屈服荷载P y ,A 点的水平荷载大小取0.6P y ,模型中还考虑了再加载时的软化问题。
模型参数包括:弹性阶段的刚度(K a )、B 点位移(Δp )和B 点荷载(P y )以及第3段刚度(K T )。
约束效应系数ξ=2·f y /f c k ,f c k 为混凝土抗压强度标准值。
[1]图7 混凝土强度对P -Δ关系骨架曲线的影响图8 圆钢管混凝土P -Δ滞回模型 (1)弹性刚度(K a )由于轴压比对压弯构件弹性阶段的刚度影响很小,所以,圆钢管混凝土压弯构件在弹性阶段的刚度可按与其相对应的纯弯构件刚度计算方法[1],表达式如下:K a =24·K e /L 3(1)式中,K e =E s I s +0.6·E c I c ,为欧洲规范EC4(1994)[11]建议的公式,L 为构件的计算长度。
(2)屈服荷载(P y ) P y 的数值主要与轴压比和约束效应系数有关,如式(2)所示。
P y =1.05·a ·M y /L a ·(0.2·ξ+0.85)·M y /L (1<ξ≤4)(0.2≤ξ≤1)(2)a =1.92-0.004·ξ(2.8-0.68·ξ)·n +0.2·ξ+1.08 (0≤n ≤0.3)(0.3<n <1)(3)式中,M y 为构件在一定轴压比n [=N /(φA sc f scy ),N 为作用在构件上的轴向荷载,φ为构件的稳定系数,A sc 为构件的横截面面积(=πD 2/4),f scy 为承载力指标下的抗弯承载力,按文献[12]给出的公式计算。
(3)B 点位移(Δp )计算结果表明:B 点位移(Δp )主要与长细比,钢材屈服极限和轴压比有关,具体表达式如下:Δp =6.74·[(ln r )2-1.08·ln r +3.33]·f 1(n )·P y (4)·120· 地 震 工 程 与 工 程 振 动 23卷(4)第三段刚度(K T )第三段刚度K T 的表达式如下:K T =0.03·f 2(n )·f (r ,α)·K a(c 2-3.39·c +5.41)(5)式中,c =f cu /60,f 2(n )=3.043·n -0.21(0≤n ≤0.7)0.5·n +1.57(0.7<n <1),f (r ,α)=(8·α-8.6)·r +6·α+0.9 (r ≤1)(15·α-13.8)·r +6.1-α (r >1)。
