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        鋼管混凝土柱恢復(fù)力模型研究

        2020-07-06 04:31:28朱銘
        廣東建材 2020年6期
        關(guān)鍵詞:屈服點(diǎn)恢復(fù)力線型

        朱銘

        (江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院)

        0 引言

        鋼管混凝土構(gòu)件是一種新型的組合結(jié)構(gòu),廣泛應(yīng)用于房建和大跨度拱橋中[1]。但由于近年來,我國(guó)地震頻發(fā),限制了鋼管混凝土在地震區(qū)的應(yīng)用。故研究鋼管混凝土構(gòu)件在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)問題迫在眉睫。

        在地震作用下,結(jié)構(gòu)會(huì)形成大量的恢復(fù)力與變形的關(guān)系曲線。如果直接將恢復(fù)力曲線用于動(dòng)力非線性時(shí)程分析中,計(jì)算過程將十分復(fù)雜,故需要將恢復(fù)力曲線簡(jiǎn)化成恢復(fù)力模型來應(yīng)用。目前,恢復(fù)力模型大多是建立在擬靜力試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,根據(jù)試驗(yàn)所得滯回曲線來總結(jié)規(guī)律,按一定條件加以簡(jiǎn)化,最終建立構(gòu)件的恢復(fù)力模型。

        本文介紹了目前國(guó)內(nèi)外常見的恢復(fù)力模型,并根據(jù)文獻(xiàn)[2]中的實(shí)測(cè)荷載-位移曲線,提出了包含骨架曲線模型、滯回規(guī)則、剛度退化的鋼管混凝土柱恢復(fù)力模型。

        1 恢復(fù)力模型分類

        目前有兩大類恢復(fù)力模型:曲線型模型和折線型模型。曲線形模型是由連續(xù)的曲線構(gòu)成,能很好地表達(dá)剛度變化,但是計(jì)算方法很復(fù)雜,導(dǎo)致其很少應(yīng)用于實(shí)際工程的彈塑性分析。折線型模型則是由折線段構(gòu)成,模型中存在突變點(diǎn),不連續(xù),但是計(jì)算簡(jiǎn)單,故應(yīng)用廣泛[3]。折線型恢復(fù)力模型有雙線型、三線型、四線型、退化雙線型、退化三線型和指向原點(diǎn)型等[4],適合于不同限制條件下的構(gòu)件。

        1.1 雙線型

        雙線型模型的形式簡(jiǎn)單,計(jì)算方便,并且考慮了鋼材的包辛格效應(yīng),可作為鋼筋混凝土構(gòu)件的彈塑性分析的基礎(chǔ)。但它只有彈性段和強(qiáng)化段,未考慮剛度退化,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中是偏不安全的。

        1.2 三線型

        與雙線型相比,三線型考慮了剛度退化的影響,有彈性段、強(qiáng)化段和下降段,可以較好地反映鋼筋混凝土構(gòu)件的恢復(fù)力特性。

        1.3 四線型

        四線型模型是在三線型的基礎(chǔ)上,引入了構(gòu)件的開裂點(diǎn),將開裂點(diǎn)、屈服點(diǎn)、峰值點(diǎn)、極限點(diǎn)作為骨架曲線模型的特征點(diǎn),更加符合鋼筋混凝土構(gòu)件帶裂縫工作的特性。

        2 恢復(fù)力模型建立

        本文采用試驗(yàn)擬合法來建立恢復(fù)力模型,現(xiàn)做以下假設(shè):①屈服點(diǎn)與最大彈性荷載點(diǎn)重合;②彈性階段,加載和卸載剛度為構(gòu)件初始剛度,屈服點(diǎn)后,剛度隨位移增加而退化;③模型中存在軟化點(diǎn)。

        2.1 骨架曲線模型

        根據(jù)文獻(xiàn)[2]的試驗(yàn)結(jié)果,計(jì)算兩根圓鋼管混凝土柱的骨架曲線特征點(diǎn),為了消除不同鋼管柱參數(shù)的影響,采用無量綱的形式,最終計(jì)算結(jié)果見表1。

        表1 骨架曲線特征點(diǎn)無量綱值

        依據(jù)表1 中的各特征點(diǎn)的無量綱坐標(biāo),得到骨架曲線的三線型模型,如圖1。各階段方程為:彈性段OA:P/Pm=1.464Δ/Δm,強(qiáng)化段AB:P/Pm=0.426Δ/Δm+0.574,下降段BC:P/Pm=-0.067Δ/Δm+1.067。

        圖1 三線型模型

        2.2 剛度退化

        隨著循環(huán)次數(shù)的增大,當(dāng)加載超過屈服點(diǎn)后,構(gòu)件不會(huì)再以彈性剛度進(jìn)行卸載,而是有一定的退化。本文按照文獻(xiàn)[5]中的割線剛度來定義構(gòu)件的剛度。經(jīng)過對(duì)兩根鋼管混凝土柱的剛度進(jìn)行回歸分析,得到剛度退化的規(guī)律如下:

        回歸分析過程見圖2。其中,橫坐標(biāo)為位移循環(huán)等級(jí)Δi/Δy,縱坐標(biāo)為各級(jí)位移循環(huán)的剛度與破壞時(shí)的剛度比值Ki/Ku。

        圖2 剛度退化回歸曲線

        2.3 滯回規(guī)則描述

        總結(jié)實(shí)測(cè)滯回曲線的規(guī)律,再結(jié)合骨架曲線模型和剛度退化規(guī)律,建立適合鋼管混凝土柱的恢復(fù)力模型,如圖3。

        圖3 恢復(fù)力模型

        ⑴模型采用無量綱坐標(biāo),結(jié)合骨架曲線的特征點(diǎn)和各級(jí)滯回環(huán)建立,圖中A(D)為屈服點(diǎn),B(E)為峰值點(diǎn),C(F)為極限點(diǎn)。

        ⑵在彈性階段,加載曲線沿骨架模型OA 進(jìn)行,當(dāng)在OA 段卸載時(shí),沿著原路線返回原點(diǎn)。

        ⑶構(gòu)件屈服后,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,卸載剛度降低。當(dāng)在1 點(diǎn)開始卸載時(shí),先卸載至2 點(diǎn),接著反向加載至3 點(diǎn),此時(shí)由于模型軟化點(diǎn)的存在,導(dǎo)致在3 點(diǎn)處剛度發(fā)生突變,指向4 點(diǎn)。反向卸載至5 點(diǎn),接著正向加載至6 點(diǎn),6 點(diǎn)坐標(biāo)與3 點(diǎn)坐標(biāo)關(guān)于原點(diǎn)對(duì)稱,最后回到1點(diǎn),指向下一個(gè)滯回環(huán)。軟化點(diǎn)的坐標(biāo)可參考文獻(xiàn)[6],取相應(yīng)位移循環(huán)的峰值承載力的0.2 倍。

        2.4 恢復(fù)力模型與試驗(yàn)值的比較

        將模型和試驗(yàn)曲線進(jìn)行比較,如圖4 所示。由圖可知,二者吻合良好,說明本文建立的恢復(fù)力模型能較好地反映鋼管混凝土柱的滯回性能。

        3 結(jié)論

        ⑴本文在國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的恢復(fù)力模型的基礎(chǔ)上,結(jié)合試驗(yàn)滯回曲線,提出了適合鋼管混凝土柱的恢復(fù)力模型,并且與擬靜力試驗(yàn)得到的滯回曲線對(duì)比。通過模型建立的恢復(fù)力曲線與試驗(yàn)曲線比較相符,證明推導(dǎo)的恢復(fù)力模型是合理的。

        ⑵由于參考的試驗(yàn)滯回曲線較少,未能充分反映影響鋼管混凝土柱滯回性能的各因素,故還需更加深入、全面的研究,方能得到更加實(shí)用的恢復(fù)力模型。

        圖4 恢復(fù)力模型曲線與試驗(yàn)曲線對(duì)比

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