预压型钢混凝土柱滞回特性有限元分析.pdf
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1、2 0 1 2年 第 8期 (总 第 2 7 4 期 ) Nu mb e r 8 i n 2 0 1 2 ( T o t a l No 2 7 4 ) 混 凝 土 Con c r e t e 理论研究 THEORETI CAL RES EARCH d o i : 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 2 0 8 0 0 9 预压型钢混凝土柱滞回特性有限元分析 焦玉琳 2 。王新华 1 l 2 ,杨杰 ,张云峰 。 ( 1 武汉理工大学,湖北 武汉 4 3 0 0 6 3 ;2 商丘职业技术学院,河南 商丘 4 7 6 0 0 0 ;3 长沙理工
2、大学,湖南 长沙 4 1 0 0 7 6 ) 摘要: 在型钢混凝土柱基础上提出预压型钢混凝土柱, 并对预压型钢混凝土柱研究意义进行了概要分析。 采用A N S Y S 有限元分析软 件, 通过对 9 个不同混凝土强度等级、 不同型钢预压比、 不同轴压比的预压型钢混凝土柱的低周反复荷载试验, 得到预压型钢混凝土柱在 不同轴压比、 型钢预压比下的破坏形态和滞回曲线。 研究结果表明: 预压型钢混凝土柱有良好的抗震性能, 但是其随着轴压比增大和混凝 土强度的提高而降低。 关键词: 预压型钢混凝土柱;型钢预压比;轴压比;滞回特性 中图分类号: T U 5 2 8 0 1 文献标志码: A 文章编号: 1
3、 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 8 0 0 2 7 0 4 F i n i t e el e m e n t an al y s i s on h ys t e r e t i c c ha r a c t e r i s t i c s o f s t ee l r e i nf or c ed c on cr e t e c ol um n s of s t e e l r e i n f or c e d c onc r ete c ol umns of s t r e s s J I AO Yu 4 m 一 , WANG Xi n- h u a 一 , YAN
4、G J i e , ZHANG Yan f e n g ( 1 Wu hanUn i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y , Wu h a n4 3 0 0 6 3 , C h i n a ; 2 S h a n g q i uVo c a t i o n a l a n dT e c h n i c a l C o l l e g e , S h a n g q i u4 7 6 0 0 0 , C h i n a ; 3 C h ang s h a Un i v e r s i t yo f S c i e n c eandT e c hno l o
5、g y , C h ang s h a 4 1 0 0 7 6 , Ch i n a ) Abs t r a ct: Ba s e o n s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o l u mns , a n e w c olu mn f o r m n a me d s t e e l r e i n f o rce d c o n c r e t e c o l u mns o f pr e c o mp r e s s e d s t r e s s wa s p r e s e nt e dTh e e n g i n e e
6、r ing s i g n i fic a n c e an d r e c e n t r e s e a r c h e s o f t h e s t e e l r e i nf o r c e d c o n c r e t e c o l u mns o f pr e c o mp r e s s e d s t r e s s we r e intro d u c e d Th e a r t i c l e a p p l i e s t h e ANS YS fin i t e e l e me n t a n a l y s i s s o ft wa r e, t h r
7、 o u g h t o t h e l o w we e k r e p e a t e d l y l o a d e x p e r i me n t o f 9 s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o l u mn s o f p r e c o mp r e s s e d s t r e s s for d i ff e r e n t c o n c r e t e i n t e n s i ty r a n k , d i ff e r e n t s t e e l p r e c o mp r e s s e d
8、 s tr e s s r a t i o a n d d i ff e r e n t a x i s p r e s s e s r a t i o l o w we e k r e pe a t e dly l o a d e x p e r i me n t , o b t a i ns 9 s t e e l r e i n f o r c e d c o nc r e t e c o l u mn s o f p r e c o mp r e s s e d s tre s s d e s t r u c tio n s h a p e and s t a gna t e s c
9、u r v e I t wa s c o n c l u d e d t h a t t h e s t e e l r e i nf o r c e d c o n c r e t e c o l u mn c o u l d imp r o v e the e a r t h q u a k e r e s i s t an c e p e rfo rm a n c e , b u t i t wi l l b e r e d u c e d wh e n i mp r o v e d the c o n c r e t e in t e n s i ty and the p a r t
10、ax i s p r e s s r a t i o Ke y w o r ds :s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o l u mn s o f pr e c o mp r e s s e d s tre s s ; s t e e l p r e c o mp r e s s e d s tre s s r a t i o; ax i a l c o mp r e s s r a t i o; h y s t e r e t i c c h ara c t e r i s t i c 0 引言 1 试件材料性质及参数的确定 预压
11、型钢混凝土柱也叫型钢混凝土叠合柱 1 】 , 是在型钢混 凝土柱的基础上通过特定的施工步骤形成的, 具体过程如下 : 先安装钢骨 , 以钢骨为支柱 , 结构向上施工至预定高度后 , 在 下部钢骨外围绑扎钢筋浇筑混凝土 , 待混凝土强度达到要求 后, 结构再继续向上施工至完成。 这样将一期轴力单独施加到 钢骨上, 剩余轴力由混凝土和钢骨分担 , 降低 了混凝土部分 的轴压 比。 预压型钢混凝土柱相对普通型钢混凝土柱具有以 下优点 : 降低了柱中混凝土部分 的轴压 比, 提高柱的延性和 抗震性能 : 由钢骨承担大部分轴力 , 可以提高柱的轴压 比限 值 , 充分发挥钢骨的作用。 我国国土辽阔 ,
12、资源相对紧缺 , 大 城市多 , 城市人 口多而密集 , 高层、 超高层建筑是社会发展的 必然。 高层 、 超高层最底下几层柱子非常适合采用预压型钢混 凝士柱截面形式。 预压型钢混凝土柱技术现有资料 、 研究成 果极为欠缺。 开展预压型钢混凝土柱技术研究工作是很有必 要 的。 收稿 日期:2 0 1 2 - 0 2 1 8 基金项 目:河南省科技攻关计划资助项 目( 1 1 2 1 0 2 3 1 0 4 1 9 ; 1 1 2 1 0 2 3 1 0 3 8 5 ) 选择单元类型, 在前处理阶段, 首先要根据分析问题的需 要, 选择所需的单元类型, 确定选用何种单元类型进行研究至 关重要 ,
13、 它影响着网格的划分与研究对象的相互对应。 AN S YS 提了 1 4种单元类型, 常用的单元有: 杆单元( L I N K) ; 梁单 元( B E AM) ; 板壳单元( s H E L L ) ; 实体单元( S OL I D) 。 本例选 用三维结构质量单元 MAS S 2 1 及实体单元 S O L ID6 5 。 S O L I D6 5 单元是专为混凝土岩石等抗压能力远大于抗拉能力的非均匀 材料开发的单元 , 用于含钢筋或不含钢筋的三维实体模型。 在 混凝土的应用方面, 用单元的实体性能来模拟混凝土, 该单元 具有 8个节点, 每个节点有 3个自由度, 即 , Y , 3个方向
14、的线 位移, 还可对 3个方向的含筋情况进行定义。 能模拟混凝土变 形和开裂蜘 。 ( 1 ) 犁钢采用 S O L I D 4 5 单元 。 ( 2 ) 混凝土材料采用 S O L I D6 5单元, 采用 Wi l l a m Wa r n k e 五参数破坏准则检查混凝土开裂和压碎, 模型选用 S OL I D 6 5 来 27 模拟混凝土时, 单元 S OL I D 6 5在求解过程中每迭代一次 , 就需 要检验单元是否有开裂、 压碎现象 , 且不断对刚度矩阵进行修 正。 因此, 能较好的反映接触界面的变化特征。 ( 3 ) 考虑到后处理分析查看钢筋屈服情况, 纵筋、 横向箍筋 采用
15、P I P E 2 0单元 A NS YS实体模型如图 1 所示。 ( a ) 混凝土实体模型 (b ) 型钢实体模型 图 1 混凝土 、 型钢实体模型 型钢采用多折线性随动强化模型( MKI N) , 屈服准则为 Mi s e s 准则, 所需用输入的参数相对比较简单。 首先输入弹性模 量和泊松 比, 单轴应力一 应变曲线为理想弹塑性模型。 纵筋和箍 筋采用双线性随动强化模 d ( B Kr N) , 输人参数也相对简单。 首 先也输入弹性模量和泊松 比, 单轴应力一 应变关系为理想弹塑 性模型。 钢材的输入参数见表 1 。 表 1 型钢、 钢筋的材料参数 混凝土材料性质包括应力一 应变曲线
16、和混凝土的破坏准则 两个部分。 混凝土的应力一 应变曲线简化成多折线按照非线性 弹性材料模型输入。 混凝土破坏准则采用的是 A NS YS程序中 默认的Wi l l i a m Wa mk c五参数破坏准则, 混凝土材料的输入参 数见表 2 。 2几何 尺 寸 试件高度为 1 0 0 0 I 砌 , 截面尺寸为 2 0 0 m mx 2 0 0 m m, 配有 4根主筋和 I 1 0的工字钢骨。 试件的截面2 - 3 及计算简图见图 2 。 表 2 混凝土 的材料参数 图2 试件的截面尺寸及计算简图( 单位: mm) 本试验所分析的试件共 9 个 , 各试件参数详见表 3 。 表 3 试 验试
17、件参数 3 计算结果分析 3 1 破 坏形 态 从试验过程及破坏特征来看, 这 9个试件在压、 弯、 剪共同 作用下的破坏形态均为弯曲型破坏。 预压型钢混凝土柱, 发生弯 曲破坏的现象和普通钢筋混凝土柱基本是相同的, 从第 8 、 9个 28 试件的破坏形态来看, 型钢预压比大小对破坏形态有一定的影 响, 型钢预压比在 O 1 0 3 5 之间, 和普通型钢混凝土柱没有太 大的区别 , 从试件加载变形的过程来看, 型钢首先承受一期荷 载 , 再和混凝 土共 同分担二期荷载 , 在水平荷载作用下 , 先是受 拉纵向钢筋接近屈服, 然后混凝土受压侧和型钢受压侧部分应 变进入塑性状态, 继续施加水平
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