带加劲肋方钢管混凝土柱抗震性能有限元分析

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1、带加劲肋方钢管混凝土柱抗震性能有限元分析王钱凯1杨巧荣2项潇潇1张坚（上海院）（1.±海大学土木工程学院，上海,200072）【摘要】基于一340m高的超高层建筑为背景，主要研究其内部方钢管混凝土柱的受力特性。设计了相应的方钢管混凝土柱模型构件，针对此钢管混凝土柱，在Abaqus有限元软件中选取适当的木构模型、单元类型、界面摩擦系数等，模拟分析了拟静力荷载作用下钢管混凝土柱的滞回曲线及应力云图。以轴压比、长细比、混凝土抗压强度、钢管壁厚、钢管钢材屈服强度、肋条等为主要变化因素，对方钢管混凝土柱利用有限元模拟方法进行模拟计算，得出不

2、同参数对此钢管混凝土柱受力性能的影响。【关键词】巨型钢管混凝土柱；抗震性能；非线性有限元分析1引言高层建筑中，由于建筑物层数多、高度高，为了满足强度、刚度、稳定性,舒适性的要求，导致竖向构件需要承受巨大的竖向荷载，风荷载、以及地震作用引起的水平荷载、倾覆力矩。钢一一混凝土组合结构充分发挥钢和混凝土这两种材料的优势，使结构达到最好的各自性能。钢管混凝土结构，就是一种介于钢结构和钢筋混凝土结构之间的钢一一混凝土组合结构，具有承载力高、塑性和韧性好、抗震性能好、施工方便等特点。到目前为止，国内外众多学者对钢管混凝土结构进行了研究并取得了

3、很多研究成果。Tomii和SakinoO主要进行钢管混凝土柱受恒定轴压作用和往复荷载作用下滞回性能进行研究，主要考虑轴压比和截面宽厚比对构件的影响以及反复荷载作用下钢管和混凝土之间的粘结强度的变化规律。Kang和MoonO对36个方钢管混凝土构件恒压下进行单调水平加载和往复加载进行了试验研究。国内学者对钢管混凝土力学性能和设计方法开展了深入的研究工作，吕西林、余勇0进行了12根方钢管混凝土压弯构件在往复荷载作用下的滞回试验，主要考察了截面宽厚比、轴压比和混凝土强度三个参数。韩林海0进行10根圆钢管高性能混凝土和8根方钢管高性能混凝

4、土压弯构件的滞冋性能试验研究，分析了轴压比、钢材强度、混凝土强度对钢管高性能混凝土荷载■位移滞冋关系曲线、承载力和耗能等的影响，考察了荷载一一位移滞冋曲线抗弯刚度退化的情况，并初步探讨了钢管高性能混凝土构件的承载力的计算方法。2012年《异形截面多腔钢管混凝土巨型柱框架抗震试验与理论分析》中，曹万林0主要研究了不同截面形状的多腔钢管混凝土柱及其巨型框架的抗震性能。为了了解复杂截面的巨型方钢管混凝土柱的受力特性及抗震性能，本文对钢管混凝土柱进行设计并采用Abaqus有限元软件进行数值模拟，在此基础上分析此类方钢管混凝土柱的破坏形态及

5、各个参数对受力性能的影响规律。2方钢管混凝土柱基本参数图1为巨型钢管混凝土柱原型截面根据1:5.5尺寸缩小后得到的钢管混凝土柱截面图。面钢筋面积。3有限元模型建立及求解3.1模型建立采用有限元分析软件ABAQUS/Standard6.11中的concretedamagedplasticitymodel,它基于拉、压各向同性塑性的连续线性损伤模型，用于描述混凝土的非线性行为。钢材采用随动强化模型。试件的钢管采用4节点减缩积分格式的壳单元S4R,为满足计算精度，在壳单元的厚度方向采用9个积分点的Simpson积分。钢管内的混凝土采用8

6、节点六面体线性减缩积分实体单元C3D8R。钢筋采用两结点线性三维桁架单元(T3D2),并嵌入混凝土中；肋条采用四节点减缩积分格式的壳单元(S4R),也嵌入混凝土中，同吋在壳单元厚度方向，采用9个积分点的Simpson积分，以确保计算的精度。钢管与混凝土之间的面与面的接触，界面切向力模拟采用库仑摩擦模型界面摩擦系数取0.25。试件上部和下部均搁置了两块加载板，即板A、板B,加载板为弹性体，杨氏模量为l×1012,泊松比为l×10-6,以便均匀施加荷载及避免荷载作用在构件上导致构件局部扭曲或破坏。采用准静态模拟

7、，首先施加轴向荷载P，并在加载过程中控制轴向荷载不变，之后在试件南北方向施加低周反复水平荷载d(t),加载示意图如图2所示。初始阶段采用位移控制加载，弹塑性状态后仍然采用位移加载控制，每级反复一次，如图所示。图3有限元模型循环加载制度3.2结果分析图4为钢管混凝土柱在0.4倍轴压比下的滞冋曲线，钢管混凝土柱的P・Δ滞冋曲线图形饱满，呈纺锤状。基本没有捏拢现象和刚度退化，耗能性能良好。图5■图7为方钢管混凝土柱整体、混凝土部分以及钢管部分的应力云图。从图5到图7中看出，试件最大应力出现的位置分布在柱脚/顶截面位置，应力最

8、人的位置钢板屈服。混凝土由于钢板的包裹，使其抗压强度有所提升。图40.4倍轴压比下水平位移一一水平力滞冋曲线图7钢管应力云图4参数分析对该类问题进行参数分析时采用单调加载方式，研究混凝土强度等级、钢管强度等级、外方钢管柱壁厚及钢管混凝土柱轴压比、长