钢板-混凝土双连梁受力性能有限元分析.pdf
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1、第 1 2卷第 3期 2 0 1 5年 6月 铁道科学与工程学报 J o u r n a l o f Ra i lwa y Sc ie n c e a n d E n g i n e e r i n g Vo l u me 1 2 Nu mb e r 3 J u n e 2 0 1 5 钢板 一混凝土双连梁 受力性能有 限元分 析 陆铁坚 , 宋宁, 王鹏皓 , 杨诗龙 ( 中南大学 土木工程学院, 湖南 长沙 4 1 0 0 7 5 ) 摘要 : 运用 A B A Q U S分别建立钢筋 一 混凝土双连梁与钢板 一 混凝土双连梁有限元模型, 进行有限元非线性计算, 对比分 析 2种不同模型的
2、极限承载力、 破坏性能及延性。研究结果表明: 钢板 一混凝土双连梁同钢筋混凝土双连梁的破坏形态一 样, 属于弯剪破坏, 可在梁端形成较大的塑性转角, 成为剪力墙结构良好的抗震耗能构件; 钢板 一混凝土双连梁在达到屈服 荷载时仍有一定的位移变形, 但位移变形的幅度不如钢筋混凝土双连梁大; 钢板 一混凝土双连梁的延性及耗能性能不如钢 筋 混凝 土双连 粱好 , 但钢板 一混凝土双连梁的极 限承载力与刚度大 于钢筋混凝土双连 梁。 关键词: 钢板 一混凝土双连梁; 钢筋混凝土双连梁; 非线性有限元; 最大顶点位移 中图分类号 : T U 3 9 8 2 文献标 志码 : A 文章编号 : 1 6 7
3、 2 7 0 2 9 ( 2 0 1 5 ) 0 30 5 6 4 0 6 Me c h a n i c a l b e h a v i o r s t u d y o f s t e e l p l a t e r e i n f o r c e d c o n c r e t e d u a l c o u p l i n g b e a ms L U T i e j i a n , S O N G N i n g , WA N G P e n g h a o , Y A N G S h i l o n g ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e
4、 r i n g , C e n t r a l S o u t h U n i v e r s it y ,C h a n g s h a 4 1 0 0 7 5, C h i n a ) Ab s t r a c t : Re i n f o r c e d c o nc r e t e d u a l c o u p l i n g b e a m s t r uc t u r a l mo d e l s a n d s t e e l pl a t e r e i n f o r c e d c o n c r e t e d u a l c o u p l i n g b e a
5、m s t r u c t u r a l m o d e l s w e r e e s t a b l i s h e d r e s p e c t i v e l y b y m e a n s o f A B A Q U S s o f t w a r e T h e n o n l i n e a r fi n i t e e l e me n t c o mp u t a t i o n s we r e e x e c u t e d r e s p e c t i v e l y T h e u l t i ma t e l o a d c a p a c i t y,f a
6、 i l u r e mo d e a n d d u c t i l i t y o f t h e t wo d i f f e r e n t fin i t e e l e me n t mo d e l s we r e c o mp a r e d a n d a n a l y z e dTh e c o mpu t a t i o n r e s u l t s d e mo n s t r a t e t h a t t h e f a i l u r e mo d e o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e d u a l c o u
7、 p l i n g b e a ms a n d s t e e l p l a t e r e i nfo r c e d c o n c r e t e d u a l c o u p l i n g b e a mg b e l o n g t O b e n d i n gs h e a r f a i l u r e T h e s t e e l p l a t er e i n f o r c e d c o n c r e t e d u a l c o u p l i n g b e a ms c a n b e a r l a r g e r p l a s t i c
8、r o t a t i o n s wo r k i n g a s t h e g 0 o d s t r u c t u r a l me mb e r s o f e n e r g y d i s s i p a t i o n i n wh o l e s t ruc t u r e s ;T h e s t e e l p l a t e r e i n f o r c e d c o n c r e t e d u a l c o u p l i n g b e a ms s t i l l b e h a v e t h e l a t e r a l r e s i s t
9、a n c e e v e n a f t e r t h e y i e l d o f d u a l b e a ms ,b u t t h e r a n g e o f t h e l a t e r a l r e s i s t a n c e i s l e s s t h a n t h e r e i nfo r c e d c o n c r e t e d u a l c o u p l i n g b e a ms ; b o t h t h e d u c t i l i t y a n d t h e a b i l i t y o f e n e r g y d
10、 i s s i p a t i o n o f s t e e l pl a t e r e i n f o r c e d c o n c r e t e d u al c o u p l i n g be a ms a r e l e s s t h a n t h a t o f t h e r e i n f o r c e d c o n c r e t e d ua l c o u p l i n g b e a ms ,bu t t h e l o a d c a pa c i t y a n d t h e l a t e r a l r i g i di t y a r e
11、 r e l a t i v e l y h i g h e r Ke y wor ds : s t e e l p l a t e r e i nfo r c e d c o n c r e t e d u a l c o u p l i n g b e a ms;r e i n f o r c e d c o nc r e t e d ua l c o u p l i n g b e a ms; n o n l i n e a r fini t e e l e me n t ;ma x i mu m d i s p l a c e me n t o f s u mmi t po i n t
12、 连梁是剪力墙结构中的重要构件, 应有 良好的 刚度与较高的承载力 , 对墙肢有一定约束作用 , 且 应有 良好的延性 , 在地震作用下先与墙肢形成塑性 铰, 有一定的位移变形 , 起到耗能作 用。但一般情 况下连梁属于深梁 , 深梁 的刚度大 , 在破坏时发生 剪切破坏 , 属于脆性破坏 , 在抗震时吸收能量效果 收稿 日期 : 2 0 1 40 9 0 3 基金项 目: 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 0 7 8 3 5 4 ) ; 湖南省 自然科学基金重点资助项 目( 1 0 J J 2 0 3 4 ) 通讯作者 : 陆铁坚( 1 9 6 3一), 男 , 湖南岳 阳人 , 教授
13、 , 博士 , 从事高层 结构抗震研究 ; Em a i l : t ie j i a n mai l C S U e d u c n 第 3期 陆铁坚, 等: 钢板 一混凝土双连梁受力性能有限元分析 5 6 5 差 , 不利于连梁的抗震设 防。双连梁是指用上 、 下 2根小 连梁取代 原来 的单根 连梁 , 以降低连 梁刚 度 , 在破坏时有较 大的变形 , 在抗震 时耗能效果优 于单连梁 , 属于延性破坏 。在 汶川地震 中, 位 于成都市与西安市的 2栋剪力墙结构没有遭到破 坏就是最好 的现 实证 明 J 。近年来 , 许多学者 对 双连梁进行了研究 。曹征 良等 提 出 自控型双连 梁
14、 , 当地震烈度低时 , 两根小梁合为整体 , 可以较强 的约束住墙肢 , 剪力墙整体抗侧 刚度 大, 当地震烈 度高时 , 两个小梁分开 , 延性变大 , 起到很好的耗能 作用。李杰等 一 研究了双连梁在采用高性能混 凝土时的抗震性能, 得出其在抗震方面具有很好的 耗能性能。但是双连梁也有缺点 , 相 比深连梁 , 双 连梁约束墙肢的能力降低 , 从而导致剪力墙的整体 抗侧刚度下降 , 所 以如何保证双连梁有较好 的延性 的同时又使剪力墙结构保持较高的抗侧 刚度是一 个研究问题 。钢板 一混凝土连梁是在连梁 中添加 一 块钢板, 靠钢板与混凝土抵抗剪力。近年来, 许 多科研工作者对钢板 一混
15、凝 土连梁进行 了试验与 理论研究 。C h e n g 在连梁 中将钢板代替箍筋 , 结 果表明, 配置钢板在很大程度上提高了连梁的抗剪 能力 。滕 军等 提 出 了一种新 型 软钢 耗能 构 件, 使钢板 一 混凝土深梁的抗震性能得以提高。研 究成果表明 , 钢板 一混凝土连梁是一种值得研究的 l V l 。 一 固一 l V I l I l I l I 0 一 I l C 一 一 措 IlI J 船 I l l 固 一 一 i I l I l m 一 T F 1 II i I I 1 连梁形式 , 兼具钢筋混凝 土连梁与钢连梁 的优点 , 可以很好的拘束墙肢, 提高剪力墙整体刚度的同时
16、保持较好 的延性 , 起 到 良好 的抗 震耗 能效果 。 由上可知 , 双连梁与钢板 一混凝土连梁各有优势 , 现将双连梁与钢板 一 混凝土连梁这两种结构形式 结合起来 , 形成钢板 一混凝土双连梁, 并用 A b a q u s 进行有限元非线性分析 , 通过对 比, 得到这种新 型 结构形式的极限承载力 、 延性 、 破坏特征及钢筋的 应力变化 。 1 试件原型 采用文献 1 2 和文献 1 3 中的带板双连梁试 C BK 7作为计算模型 , 即 L L 1 。依据规范 1 4 关 于楼板有效翼缘宽度 的取值规定 , L L 1有效翼缘 的 宽度取为 6 0 0 mm。连梁内箍筋为 1
17、0 1 0 0, 下部 梁纵向受拉 钢筋为 2 q b 2 0 , 纵 向受压 钢筋为 2 q 9 2 0 , 上部梁 纵 向受拉 钢筋 为 3 q 1 6 , 纵 向受 压 钢筋 为 2 q b 1 4, 详细构件尺寸及配筋如图 1 ( a ) 所示。 L L 2为钢板 一混凝土双连梁模型, 构件尺寸及 配筋与 L L 1完全相 同, 不 同处 为 L L 2的 2个 连梁 中去掉箍筋 , 配置钢板 , 钢板设计参考滕军等 D 的新型软钢耗能构件, 详细参数见图 1 ( b ) 。 8I 寓I 单 位 ( a ) L L 1的详细尺寸与具 体配 筋 ; ( b ) L L 2的详细尺寸与具体
18、 配筋 图 1 试件的详细尺寸与具体配 筋 Fi g 1 Di me n s i o n a n d r e i n f o r c e me n t d e t a i l i n g o f t e s t e d s p e c i me n s 可 姐 5 6 6 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 1 5年 6月 2 计算模型 2 1 混凝土本构关系 混凝土在单轴受压时应力 一应变关系表达形 式如下 : y : J 等一 y :J + ( 1 2 ) + 1 ( 1 ) l 式中: Y= , = , 曲线上升段参数A = 9 1 , 参数 B = 1 6 ( A 一 1 )
19、, 下降段参数 = 2 1 0 , 其他参数的取值见文献 1 5 。 混凝土在单轴受拉时应力 一 应变关系表达形 式如下 : 1 +( A 22 ) +B 2 ( 2 ) 生 1 式中: Y= , =s , 曲线上升段参数 A = 1 3 0 6 , 参数B = 5 ( A 一 1 ) = O 1 5 , 有限元分析中, 考虑受拉钢筋的有利影响, 出于收敛考虑, 下降段参 数 =1 + 3 X 1 0 一 , 其他参数的取值见文献 1 5 。 由式( 1 ) 和( 2 ) , 以 C 3 0为例, 混凝土单轴受 压、 拉应力 一 应变关系计算曲线如图 2所示。 ( a ) 受压 ; ( b )
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