循环加载条件下钢管混凝土应力-应变关系模型

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1、大庆石油学院学报第34卷第3期2010年6月JOURNAIOFDAQINGPETROlEUMINSTITUTEVoL34No．3J113．．2010循环加载条件下钢管混凝土应力一应变关系模型张文福，郝进锋，薛景宏，张丹，车太杰(1．东北石油大学土木建筑工程学院。黑龙江大庆1633l8；2．大庆油田技术培训中心，黑龙江大庆163255)摘要：为建立钢管混凝土框撑体系中钢管混凝土支撑的恢复力模型，分析循环加载条件下材料应力一应变关系模型，给出钢材应力一应变关系模型及受约束和非约束时混凝土的骨架曲线，并确立混凝土的加、卸载滞回规则，为开展低周往复荷载

2、作用下钢管混凝土支撑在大变形状态下的恢复力特性研究提供参考依据．关键词：钢管混凝土；支撑；应力一应变关系模型中图分类号：TU375文献标识码：A文章编号：1000—1891(2010)03～0104—050引言钢管混凝土框一撑体系是高层建筑中的一种常用结构体系．在框架结构中加人支撑体系，能够大幅度增加结构的水平刚度，因此可以适当放宽框架结构的高度限值u．人们对钢管混凝土结构的研究较多，主要集中在钢管混凝土梁、柱和框架节点在低周反复荷载作用下的滞回性能_3]，得到不同截面的钢管混凝土框架构件的承载能力、滞回性能、延性与变形能力、刚度退化、耗能能力

3、等力学性能_g，明确钢管混凝土框架构件的抗震性能和破坏机理．对于钢管混凝土框一撑体系中的支撑构件在反复轴向力作用下的力学性能研究较少，从而影响钢管混凝土框～撑体系在地震区高层建筑中的广泛应用．基于此，笔者采用纵向纤维模型，对圆钢管混凝土支撑开展有限元数值仿真分析，以轴向应力一轴向应变表述的钢材和混凝土应力一应变关系模型为基础，研究循环加载条件下材料应力一应变关系模型，为钢管混凝土框一撑体系的设计和地震反应分析提供参考依据．1钢材应力一应变关系模型及表达式钢材应力～应变关系模型采用双线型，以描述钢材的非线性力学特性．以双线型模型为例(见图1)，假

4、定应变增量开始时刻的应力、应变分别为。和e。，相应屈服面中心处的应力为．(1)当()≤(s—o)≤()吼有口一，(1)—Cr~+E(F一0)．(2)图1双线型模型的加载和卸载路径(2)当(e))>(+ce～(每)]，(3)收稿日期：2010—03—10；审稿人：张云峰；编辑：任志平基金项目：黑龙江省教育厅科学技术研究项目(105,tl006)；黑龙江省自然科学基金项目(E2008011)作者简介：张文福(1965)．男，博士，教授．主要从事结构抗震与抗风方面的研究．·l04·第3期张文福等：循环加载条件下钢管混凝土应力一应变关系模型一口+．(4

5、)(3)当(E-~0)<()时，有+[ce一()]，㈤—y—fy．(6)式(i一6)中：E为选用钢材弹性模量，取E一2．06×10“N／m；为应变的强化参数；为钢材屈服强度；￡为当前时刻的应变；为当前时刻的应力；为当前弹性范围中心处的应力；上角标0表示增量开始时刻的相应数值．2混凝土应力一应变关系循环加载条件下混凝土应力一应变关系模型一般由骨架曲线和加载、卸载规则组成⋯】，其中应力和应变符号以受压为正，受拉为负．骨架曲线是混凝土在反复荷载作用下各循环峰值点的连线l】，具有代表性的约束混凝土应力一应变关系模型是Mander模型．2．1Mander

6、模型骨架曲线Mander模型中制约混凝土轴心抗压强度为—cfco(-1．254+2．254√1+～2㈩式中：厂为制约混凝土的轴心抗压强度；。为非制约混凝土的轴心抗压强度；为箍筋对中心混凝土的．有效制约应力．在Mander模型中制约混凝土峰值应变为一。l+(一)i，‘8式中为制约混凝土峰值对应的应变。为普通混凝土峰值对应的应变．Mander模型的应力一应变骨架曲线表达式为(9)式中：为因数，一，，e分别为混凝土当前时刻的应力和应变；r为因数，r—二Ec，Ec为混凝土的初始弹性模量，E一5000，E为制约混凝土峰值应变点对应的割线模量，E一_Jcc

7、．混凝土的有效制约应力为_厂：一f是，(10)式中：志。为有效制约因数，一，A为箍筋对中心混凝土的有效制约面积，A为截面箍筋形心包围的中心混凝土面积扣除纵筋的面积，即A一A(1一P)，(11)式中：A为截面箍筋形心包围的中心混凝~iN积；10为纵筋面积与截面箍筋形心包围的中心混凝土面积的比．Mander模型中假定的圆形箍筋制约混凝土柱的中心有效约束区域见图2．假定沿纵向的箍筋之间的非有效制约区圆弧切线与水平线之间的夹角为45。，则中心有效约束区域的面积为Ae一：(卜轰)，()大庆石油学院学报第34卷2010年式中：s为箍筋之间的净间距；为箍筋形

8、心包围的圆对应的直径．混凝+：保护非有效约束混凝士保护核心有效约束B—B截面A—A截痢图2圆形箍筋制约混凝土柱的中心有效约束区域A用d表示为A一仅2(