段文峰 劉文淵 黃偉東 冷 捷

(1:吉林建筑工程學(xué)院土木工程學(xué)院，長春 130118;2:解放軍理工大學(xué)工程兵工程學(xué)院，南京 210007;3:中國石油管道公司管道工程第二項目部，廊坊 065001)

0 引言

隨著鋼管混凝土理論的不斷完善，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)得到了廣泛的應(yīng)用.但對基本構(gòu)件研究，還都停留于早期采用的實驗與自編程相結(jié)合的方法的研究，這種研究方法很難實現(xiàn)對復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系的研究［1－4］.因此，采用通用有限元軟件來實現(xiàn)對基本構(gòu)件的研究，將有助對結(jié)構(gòu)體系的分析，大大提高科研效率.因而，采用ANSYS軟件進行柱構(gòu)件的建模分析，這將為以后應(yīng)用該軟件進行結(jié)構(gòu)整體分析提供有力依據(jù)(文獻［8］中提及采用ANSYS進行鋼管混凝土柱性能研究的可行性).本文將著力于對影響鋼管混凝土柱抗震性能的因素進行分析，其中，軸壓比、含鋼率、長細比及混凝土強度對其抗震性能的影響較顯著［1－5］.本文將就這些因素進行分析比較，得出相關(guān)結(jié)論.

1 模型建立

鋼管采用塊體Solid 45單元，核心混凝土采用Solid 65單元.混凝土和鋼管之間不考慮相對滑移［6－7］.混凝土材料采用核心區(qū)本構(gòu)關(guān)系［1］，混凝土單元Solid 65的破壞面為改進的William Warnke五參數(shù)破壞曲面;鋼材采用雙線性隨動強化模型(BKIN)，假定總應(yīng)力范圍等于屈服應(yīng)力的2倍，已包含包辛格效應(yīng)［1］.后期剛度Et選用0.01 E.加載時先施加體荷載(橋墩自重)和軸力P，保持P的大小和方向不變，再施加反復(fù)水平位移荷載.非線性求解時，關(guān)掉混凝土的壓碎選項;將每一個荷載步的荷載通過一系列的荷載子步逐步施加，并多次調(diào)整荷載子步數(shù)進行試算;采用力范數(shù)為基礎(chǔ)的收斂準則.構(gòu)件開裂階段和破壞階段，設(shè)置5%的收斂容差，以利于計算收斂［8］.

為研究圓鋼管混凝土柱不同軸壓比、含鋼率、長細比及混凝土強度對其抗震性能的影響，現(xiàn)設(shè)計以下幾組鋼管混凝土構(gòu)件模型進行ANSYS分析.以ygg 1為基本試件，在此基礎(chǔ)上變化軸壓比n、含鋼率α、長細比λ、鋼材屈服強度fy及混凝土強度等級，各試件設(shè)計參數(shù)如表1所示.

表1 圓鋼管混凝土橋墩各試件參數(shù)

圖1 滯回性能曲線

對表1中提及的15個構(gòu)件進行ANSYS分析，采用位移加載，分別按0.5%，－0.5%，1%，－1%，1.5%，－1.5%，2%，－2%，2.5%，－2.5%進行加載，分析得出如圖1所示的P－Δ滯回曲線.

2 影響因素分析

現(xiàn)將以上提及的15個構(gòu)件按照軸壓比、含鋼率、長細比及混凝土強度進行分類，然后作對比分析.在研究柱抗震性能時常用的一個參數(shù)是構(gòu)件的延性比.柱延性比可定義為柱極限位移與屈服位移的比值.結(jié)構(gòu)屈服位移由屈服荷載與初始剛度的比值確定;極限位移選取承載力下降到屈服荷載85%時對應(yīng)的位移，具體確定方法如圖2所示［2］.

2.1 軸壓比的影響

在研究軸壓比對圓鋼管混凝土柱抗震性能影響時，保證含鋼率、長細比、鋼材屈服強度及內(nèi)填混凝土強度相同，變化軸壓比分別為n=0.3，n=0.5，n=0.7.將不同軸壓力作用下P－Δ滯回曲線的骨架曲線對比，如圖3所示.根據(jù)P－Δ骨架曲線，由上述提及的方法確定屈服位移Δy、極限位移Δu、屈服荷載fy(屈服荷載取為P－Δ滯回曲線的骨架曲線上荷載的最大點)，按照鋼管混凝土構(gòu)件延性系數(shù)概念確定鋼管混凝土橋墩延性系數(shù)μ，各系數(shù)如表2所示.

表2 不同軸壓比下鋼管混凝土橋墩延性對比

由圖3知，圓鋼管混凝土柱彈性階段剛度隨軸壓比的增大有所降低，且低軸壓比時剛度變化差異較小，高軸壓比時差異顯著;軸壓比較小時，剛度衰減平緩，軸壓比較大時，剛度衰減顯著.由表2可知，隨著軸壓比的增加橋墩的屈服位移、屈服荷載均有所降低，柱的延性水平顯著降低.若能將軸壓比限值控制在合適的范圍內(nèi)，則結(jié)構(gòu)能夠發(fā)揮很好的延性耗能作用.

2.2 含鋼率的影響

在研究含鋼率對圓鋼管混凝土柱抗震性能影響時，保證軸壓比、長細比、鋼材屈服強度及內(nèi)填混凝土強度相同，變化含鋼率分別為α=0.046，α=0.056，α=0.075，α=0.095.將不同含鋼率下P－Δ滯回曲線的骨架曲線對比如圖4所示.并確定屈服位移Δy、極限位移Δu、屈服荷載fy、延性系數(shù)μ如表3所示.

圖2 延性系數(shù)確定示意圖

圖3 不同軸壓比骨架曲線

圖4 不同含鋼率骨架曲線

從圖4可看出，隨含鋼率的提高，圓鋼管混凝土柱屈服前剛度和水平承載力都有所提高;含鋼率對剛度衰減幾乎沒有影響.表3則說明，含鋼率對橋墩的屈服位移、極限位移影響較大，且隨含鋼率的提高而增加;含鋼率對橋墩延性影響很小，可忽略其影響.

表3 不同含鋼率下鋼管混凝土橋墩延性對比

2.3 長細比的影響

在研究長細比對圓鋼管混凝土橋墩抗震性能影響時，保證軸壓比、含鋼率、鋼材屈服強度及內(nèi)填混凝土強度相同，變化軸壓比分別為λ=40，λ=53.3，λ=66.7，λ=80.將不同長細比下P－Δ滯回曲線的骨架曲線對比如圖5所示.并確定屈服位移Δy、極限位移Δu、屈服荷載fy、延性系數(shù)μ如表4所示.

由圖5可知，隨長細比的增加柱的屈服前剛度、水平承載能力顯著降低;下降段剛度衰減趨勢差異較大，隨長細比的增大下降幅度顯著趨緩.表4則說明，長細比對柱的屈服位移、極限位移影響較大，且隨長細比的增加而加大;柱的延性水平隨長細比的增加明顯降低.

圖5 不同長細比骨架曲線圖

圖6 不同鋼材屈服強度骨架曲線

圖7 不同內(nèi)填混凝土強度骨架曲線

表4 不同長細比下鋼管混凝土橋墩延性對比

2.4 鋼材屈服強度的影響

在研究鋼材屈服強度對圓鋼管混凝土橋墩抗震性能影響時，保證軸壓比、含鋼率、長細比及內(nèi)填混凝土強度相同，變化鋼材屈服強度分別為fy=235，fy=345，fy=390.將不同鋼材屈服強度下P－Δ滯回曲線的骨架曲線對比如圖6所示.并確定屈服位移Δy、極限位移Δu、屈服荷載fy、延性系數(shù)μ.

由圖6可知，鋼材屈服強度的提高對柱的屈服前剛度及屈服后剛度衰減基本沒有影響，可認為鋼材屈服強度對P－Δ骨架曲線的形狀影響不大.表4則說明，鋼材屈服強度低的柱首先屈服，極限位移也較小，水平承載能力也較低，鋼材屈服強度對P－Δ骨架曲線的數(shù)值影響較大;柱的延性隨鋼材屈服強度的增加而逐漸降低.

2.5 混凝土強度的影響

在研究內(nèi)填混凝土強度對圓鋼管混凝土橋墩抗震性能影響時，保證軸壓比、含鋼率、長細比及鋼材屈服強度相同，變化內(nèi)填混凝土強度分別為C 30，C 40，C 50.將不同內(nèi)填混凝土強度下P－Δ滯回曲線的骨架曲線對比如圖7所示.并確定屈服位移Δy、極限位移Δu、屈服荷載fy、延性系數(shù)μ.

由圖7可知，內(nèi)填混凝土強度的增加柱的剛度略有增加，內(nèi)填混凝土強度對屈服后剛度衰減有一定影響，隨內(nèi)填混凝土強度的增大下降幅度逐漸增加.經(jīng)比較說明，水平承載能力、屈服位移、極限位移隨混凝土強度的增加有一定的提高;柱的延性隨內(nèi)填混凝土強度的增加而略有降低.

3 結(jié)論

通過對不同軸壓比、含鋼率、長細比及混凝土強度的鋼管混凝土柱的分析，可得到以下結(jié)論:

(1)軸壓比小于0.5時柱剛度衰減較小，大于0.5時衰減顯著;隨著軸壓比的增加柱的屈服位移、屈服荷載均有所降低，柱的延性水平顯著降低;

(2)隨含鋼率的提高，柱的剛度和水平承載力都有所提高;含鋼率對橋墩的屈服位移、極限位移影響較大，且隨含鋼率的提高而增加;但含鋼率對柱延性影響確很小可以忽略;

(3)隨長細比的增加柱的剛度、水平承載能力顯著降低;長細比對橋墩的屈服位移、極限位移影響較大，且隨長細比的增加而加大;柱的延性水平隨長細比的增加明顯降低;

(4)鋼材屈服強度的提高對柱的剛度衰減基本沒有影響;鋼材屈服強度低的水平承載能力也較低，極限位移也較小;橋墩的延性隨鋼材屈服強度的增加而逐漸降低;

(5)內(nèi)填混凝土強度的增加橋墩的彈性階段剛度略有增加，內(nèi)填混凝土強度對后期剛度衰減有一定影響，隨內(nèi)填混凝土強度的增大下降幅度逐漸增加;水平承載能力、屈服位移、極限位移隨混凝土強度的增加有一定的提高;橋墩的延性隨內(nèi)填混凝土強度的增加而略有降低.

［1］鐘善桐.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)(第三版)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2003:188－193.

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［3］韓林海，陶 忠，閻維波.圓鋼管混凝土壓彎構(gòu)架荷載－位移滯回性能分析［J］.地震工程與工程振動，2001，21(1):64－73.

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［7］許月華.鋼管混凝土壓彎構(gòu)件滯回性能分析［D］.大連:大連交通大學(xué)，2005.

［8］劉文淵，冷 捷，段文峰.往復(fù)荷載下圓鋼管混凝土柱的數(shù)值模擬［J］.吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報，2012，29(1):1－4.