钢板－混凝土双连梁受力性能有限元分析.pdf

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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 ， 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 ， 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 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 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 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 ) ， 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 ) 受拉 图2 混凝土单轴应力 一应变关系曲线 Fi g 2 S t r e s ss t r a i n c u r v e o f c o nc r e t e 混凝土本构模型采用塑性损伤模型 ， 混凝土弹 性阶段的泊松 比取 0 2 ， 模型偏心率取 0 1 ， f b 0 f c 0 为 1 2 2 5， K为 2 3， 膨胀角取为 4 0度 ， 黏性系数取 为0 ， 但在实际数值计算时修正黏性系数以保证计 算的速度及计算的收敛性。 2 2 钢材本构关系 钢材本构模 型采用弹塑性 ( 硬化 ) 本构模 型， 强度准则采用经典 的 Mi s e s 屈服准则 ， 其表达式为 E i + E 。 ( i 一 ) - ( 8 i ) ( 8 i 8 ) ( 。 ) ( 3) 式中： ； 为钢材的等效应力； E 。 为钢材弹性模量， 取 E = 2 0 6 G P a 为钢材的屈服强度 为钢材的 极限强度 ， 取f o =1 5 f s ； 为强化 系数 ； 为钢材 的等效应变 ； 占 为钢材屈服时的应变 ； 为钢材强 化时的应变 ； 为钢材达到极限强度时的应变 ， ： +0 5 f , ( E 。 ) ， 取 占 =1 2 6 ， =1 2 0 6 ， = 1 21 6。 2 3 L L 1与 L L 2有限元模型 运用 A B A Q U S建立有限元模型模拟钢筋混凝 土双连梁与钢板 一 混凝土双连梁时 ， 由于在后续分 析中要考虑混凝土的破坏机理与钢筋的应力变化 ， 所以选择分离式建模 。 在有 限 元 建 模 模 拟 时 ， 混 凝 土 单 元 选 用 C 3 D 8 R单元 ， 钢筋选用 T 3 D 2单元 ， 钢筋与混凝土 的接触方式选用钢筋内置在混凝土中。 在本文中， 没有考虑连梁承受轴力的作用 ， 所以 对有限元模型无需施加竖向荷载， 只对连梁上端施 加水平单调推覆荷载， 通过施加水平位移来控制。 为保证有限元模拟 与试验 约束条件相 同， 对 L L 1 与 L L 2的底面设置完全固定端约束， 在 L L 1 与 L L 2的上端设置约束 以达到 限制面外位移与扭转 的 目的。为了区分 L L 1与 L I 2有限元模 型， 特将 两个有限元模型的下部连梁去掉 ， 露出抗剪构件箍 筋与钢板。如图 3所示 。 3 非线性有限元分析 3 1 结构荷载 一位移 曲线 选取文献 1 2 和文献 1 3 中的双连梁试件 C BK 7的试验 实测 结果与有限元 模型的结果进 行对比分析， 图4所示为钢筋混凝土双连梁的荷载 一 位移曲线 ， 菱形曲线为试验实测值 ， 三角形 曲线 为有限元模拟值 ， 由图可见两者总体上 吻合较好 。 证 明有 限元模拟双连梁进行非线性分析 的方法是 合理的。 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 9 4 结论 1 ) 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 。 2 ) 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 。 3 ) 钢板 一混凝土双连梁 的延性及耗能性 能不 如钢筋混凝土双连梁好 ， 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 。 参考文献 ： 1 古倩， 朱飞强双连梁与深连梁剪力墙结构抗震性能 对 比分析 J 土木工程学报， 2 0 1 0 ( 4 3 ) ： 2 1 1 2 1 6 G U Q i a n ， Z HU F e i q i a n g C o mp a ri s o n o f s e i s mi c b e h a v i o r o f s h e a r wa l l s t r u c t u r e s wi t h d u a l a n d d e e p c o u p l i n g b e a m s J C h i n a C i v i l E n g i n e e ri n g J o u r n al， 2 0 1 0( 4 3 ) ： 21121 6 2 张海， 孙益欢 ， 王玉良， 等钢筋混凝土双连梁受力性 能研究 J 建筑结构， 2 0 1 4 ， 4 4( 5 ) ： 2 5 2 8 Z HAN G Ha i ，S UN Yi h u a n，WANG Y u l i a n g ，e t a 1 Me c h a n i c al b e h a v i o r s t u d y 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 p i i n g b e a ms J B u i l d i n g S t ruc t u r e ， 2 0 1 4， 4 4( 5 ) ： 2 5 28 3 林杰浅析剪力墙双连梁设计 J 福建建设科技， 2 0 1 2 ( 3 ) ： 1 51 7 L I N J i e An aly s i s o f c o u p l i n g b e a m d e s i g n o f s h e a r wall J F u j i a n C o n s t ruc t i o n S c i e n c e T e c h n o l o g y ， 2 0 1 2 ( 3 ) ： 1 51 7 4 曹征良， 丁大钧 ， 程文滚剪力墙结构 自控连梁的试验 研究 J 东南大学学报， 1 9 9 1 ， 2 1 ( 4 ) ： 4 5 5 1 C A O Z h e n g l i a n g ，D I N G D a j u n ，C H E N G We n r a n g E x pe r i me nt a l r e s e a r c h o n s e l f c o n t r al c o up l i ng b e a ms i n s h e a r w a l l s J J o u r n al o f S o u t h e a s t U n i v e r s i t y ， 1 9 9 1 ， 2 1 ( 4 ) ： 4 55 1 5 李杰， 李奎明钢筋 昆 凝土短肢剪力墙结构非线性分 析研究 J 建筑结构学报， 2 0 0 9 ， 3 0 ( 1 ) ： 2 3 3 0 L I J i e，L I Ku i mi n g N o n l i n e a r a n aly s i s o f RC s h o r t l e g s h e ar w al l s J J o u r n al o f B u i l d i n g S t ruc t u r e s ， 2 0 0 9 ， 3 0 ( 1 ) ： 2 3 3 0 6 李奎明， 孙春毅，李杰高性能混凝土双连梁短肢剪 力墙试验研究 J 地震工程与工程振动 ， 2 0 0 6 ， 2 6 ( 3 ) ：1 2 1 1 2 3 L I Ku i mi n g ，S UN C h u n y i ，L I J i e E x p e rime n t al s t u d y o n H P C s h o r t l e g w a l l w i t h a p a i r o f b e a ms J E a r t h q u a k e E n g i n e e rin g a n d En g i n e e ri n g Vi b r a t i o n， 2 0 0 6， 2 6 ( 3 ) ： 1 2 1 1 2 3 7 李奎明， 李杰钢筋混凝土双连梁短肢剪力墙结构试 验研究 J 同济大学学报 ， 2 0 0 9 ， 3 7 ( 5 ) ： 5 8 7 5 9 6 L I Ku i mi n g，L I J i e E x p e rime n t a l s t u d y o n r e i n f o r c e d c o n c r e t e s h o rt l e g s h e a r wa l l s w i t h d u a l b i n d i n g b e a ms J J o u rna l o f T o n g j i U n i v e r s i t y ，2 0 0 9 ， 3 7 ( 5 ) ： 5 8 7 5 9 6 8 C h e n g P C S h e a r c a p a c i t y o f 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 c o u p l i n g b e a ms D H o n g K o n g ：T h e H o n g K o n g Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a nd Te c h no l o gy 2 0 04： 1 11 8 9 滕军， 马伯涛 ， 周正根， 等提高连肢墙抗震性能的连 梁耗能构件关键 技术 J 工程抗震 与加 固改造， 2 0 0 7， 2 9 ( 5)： 16 T E NG J u n，MA B o t a o，Z HOU Z h e n g g e n，e t a1 Ke y t e c h n i q u e o f e n e r gy d i s s i p a t i n g d am p e r o n c o u p l i n g b e am t o i mp r o v e e i s mi c r e s i s t a n c e p e r f o r ma n c e o f c o u p l i n g s h e a r w al l s t r u c t u r e s J E a rt h q u ake R e s i s t a n t E n g i n e e r - i n g a n d R e t r o fi t t i n g ， 2 0 0 7， 2 9( 5)： 16 1 0 滕军， 马伯涛， 李卫华， 等 联肢剪力墙连梁阻尼器伪 静力试验研究 J 建筑结构学报， 2 0 1 0 ， 3 1 ( 1 2 ) ： 9 2 1 00 TE NG J u n ，MA B o t a o，L I We i h u a ，e t a1P s e u d os t a t i c t e s t f o r c o up l i n g be a m d a mpe r o f c o u p l e d s h e a r wa l l s t r u c t u r e J J o u rnal o f B u i l d i n g S t ruc t u r e s ， 2 0 1 0 ， 3 1 ( 1 2 ) ： 9 2 1 0 0 1 1 史庆轩 ， 田建勃， 王南 ， 等钢 一 混凝土组合连梁研究 现状及其发展 J 建筑结构， 2 0 1 4 ， 4 4 ( 9 ) ： 1 8 S H I Q i n g x u a n ，T I A N J i a n b o ，WA N G N a n ，e t a 1 R e s e a r c h s t a t u s a n d d e v e l o p me n t o f t h e s t e e l c o n c r e t e c o m p o s i t e c o u p l i n g b e a m J B u i l d i n g S t r u c t u r e ， 2 0 1 4 ， 4 4 ( 9 ) ： 1 8 1 2 闵辉 配置 H R B 5 0 0钢筋小跨高比双连梁抗震性能试 验研究 D 重 庆 ： 重庆大学 ， 2 0 1 2 MI N Hu i Ex p e rime nt a l r e s e arc h o n s e i s mi c b e h a v i o r o f s mall -s p a n t o -d e p t h r a t i o d u al c o u p l i n g b e a ms w i t h H R B 5 0 0 b a r D C h o n g q i n g ：C o l l e g e o f C i v i l E n gi n e e r i n g o f C h o n g q i n g U n i v e r s i t y ， 2 0 1 2 1 3 朱文博 钢筋混凝土带板双连梁抗震性能试验研究及 有限元分析 D 重庆： 重庆大学， 2 0 1 2 Z HU We n b o Ex p e r i me n t al r e s e a r c h a n d n o n l i n e a r F E A o n s e i s mi c b e h a v i o r o f r e i nfo r c e d c o n c r e t e d ua l c o up l i n g b e a ms w i t h fl o o r s l a b s D C h o n g q i n g ：C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g o f C h o n g q i n g Un i v e rsi t y， 2 0 1 2 1 4 G B 5 0 0 1 0 2 0 1 0 ， 混凝土结构设计规范 S GB 5 0 0 1 0 2 0 1 0，C o d e for d e s i g n o f c o n c r e t e s t r u c t u r e S 1 5 D I N G F a x i n g ，Y U Z h i w u T h e b e h a v i o r o f c o n c r e t e a n d c i r c ul a r c o n c r e t efil l e d s t e e l t ub e s t ub c o l u mns a t hi g h t e m p e r a t u r e s J J o u rna l o f C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o gy， 2 0 0 6 ， 1 3 ( 6 ) ： 7 2 6 7 3 2 ( 编辑蒋学东)