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第2卷第3期铁道科学与工程学报Vol.2No.32005年6月JOURNALOFRAILWAYSCIENCEANDENGINEERINGJune2005X钢-混凝土组合框架地震弹塑性时程分析蒋丽忠,曹华,余志武(中南大学土木建筑学院,湖南长沙410075)摘要:通过对钢-混凝土连续组合梁、钢管混凝土柱的荷载-位移滞回曲线试验结果的分析,提出了简化的适用于组合结构刚度退化三线型恢复力模型;根据所提出的恢复力模型及滞回规则,编制了地震弹塑性时程响应分析程序;结合算例,用所编制程序的计算结果与相关文献中的钢筋混凝土框架结构的计算结果进行了比较,验证了所编制程序的正确性。计算表明,此恢复力模型及程序能应用于钢-混凝土组合框架的弹塑性时程反应分析中,具有较高的工程应用价值。关键词:钢-混凝土组合结构;滞回曲线;恢复力模型;弹塑性地震响应中图分类号:TU323.5;TU398文献标识码:A文章编号:1672-7029(2005)03-0001-08Elastic-plasticearthquakeresponseofsteel-concretecompositeframestructureJIANGLi2zhong,CAOHua,YUZhi2wu(SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,CentralSouthUniversity,Changsha410075,China)Abstract:Basedonhystereticcurveofload-displacementofconcretefilledsteeltubularcolumnandsteel-concretecompositebeams,tri-linearrestoringforcemodelwithconsiderationofrigiditydegradation,whichcanbewidelyap2pliedincompositestructure,areproposed.Accordingtothemodelandthecyclicrule,theprogramofelastic-plas2ticearthquakeresponsearecompiled.Bytakinganexampleofthesteel-concretecompositeframestructure,thera2tionalityandcorrectnessaretestifiedbycomparingthecalculatedresultwiththeresultofreinforcedconcretestructureinotherpaper,whichshownthemodelandprogramhavebettervalueofengineeringapplicationandcanbeappliedinelastic-plasticearthquakeresponseofsteel-concretecompositeframestructure.Keywords:steel-concretecompositestructure;hystereticcurve;restoringforcemodel;elastic-plasticearthquakeresponse和9度区高大的厂房横向排架,高度大于150m的1概述钢结构,甲类建筑和9度区乙类建筑中的钢结构,我国属于多地震国家,历史上曾发生过多次灾以及采用隔震和消能减震设计的结构应采用时程难性地震,给人民的生命和财产造成了巨大的损分析法对罕遇地震下结构薄弱层的弹塑性变形进[1]失。建筑结构的抗震性能是选择结构方案的首行验算。要问题。认识结构从弹性到弹塑性的逐步开裂、损在对结构物进行弹塑性反应分析时,因为刚度坏直至倒塌的全过程,研究控制结构破坏程度的条矩阵随着时间而变化,振型频率也随时间而变化,件,进而寻找防止结构倒塌的措施,需要进行结构从而振型分解法不便于应用,只能应用逐步积分法的弹塑性地震反应分析。的直接动力法。要较准确地研究结构或构件的弹抗震规范规定:要求对8度区三、四类场地土塑性动力反应,需要解决的问题有:地面运动,结构X收稿日期:2005-03-06基金项目:国家自然科学基金资助项目(50208018,50438020)作者简介:蒋丽忠(1971-),男,湖南衡山人,中南大学教授,博士生导师,从事结构动力学研究 2铁道科学与工程学报2005年6月或构件的恢复力模型,计算模型的选取,动力方程采用的钢管混凝土柱的轴压比较小或L/D=4.25的数值解法等。～5.75(L为柱的计算长度,D为直径)时其骨架曲钢-混凝土组合结构充分利用了钢结构和混线无下降段,位移延性为无穷大。典型的荷载-位凝土结构的各自优点,具有截面小、自重轻、刚度移曲线如图1所示。由文献[4]中的试验研究可大、承载力高等特点,因此广泛应用于大跨、重载结知,钢-混凝土组合连续梁的荷载-位移滞回试验构中,但是并没有适应组合结构的简单实用的恢复曲线的特点表明组合连续梁的骨架曲线无明显的力模型。它的地震弹塑性时程响应常常要借组钢下降段,如图2所示。结构或钢筋混凝土结构的恢复力模型来计算。本文结合钢-混凝土组合框架结构的试验结果,建立适用于组合结构的三线型刚度退化恢复力模型,并对钢-混凝土组合框架的弹塑性时程响应进行简单分析。2组合结构的简化恢复力模型恢复力模型是地震弹塑性相应分析所必须解决的基本问题。滞回曲线的试验图形随着组成构件的材料、轴向力的大小、端部固定情况而变化。[4]图2钢-混凝土连续组合梁滞回曲线大多数恢复力模型都是针对构件的试验综合抽象Fig.2Hystereticcurvesofcompositebeams出来的。而对建筑结构来说,从若干试验结果来看,特别是对具有剪切模型的结构来说,也有类似从图1、图2可见,组合构件(钢管混凝土组合形式的滞回曲线。所以当进行结构的弹塑性动力柱、钢-混凝土组合梁)的滞回曲线呈明显的梭形;反应分析时,也采用类似的滞回曲线的数学模型。骨架曲线大致可分为弹性段、弹塑性段、塑性段;在恢复力模型大致可分为曲线型和分段直线型。滞回规则中,荷载卸载到零,反向再加载的初期结[2]适用于钢结构的有Neilsen退化双线性型,适用构的刚度并不降低,而是在反向荷载继续增大时刚于钢筋混凝土结构的有退化的三线型模型。度显著降低。通过对组合结构构件(梁、柱)的荷载-位移滞回试验曲线[2]～[4]的分析,钢-混凝土组合结构的恢复力模型可统一采用如图3所示的恢复力模型。如图中所示,参数k0,k2,k3,Xc,Xy可以完全确定其骨架曲线;骨架曲线上有2个刚度变化点1和5(或2和10),表征骨架曲线刚度的降低;在滞回规则中,荷载卸载到零,反向再加载时结构的刚度并不马上降低,在反向荷载继续增大并且越过Ⅲ′-Ⅱ′-Ⅰ′-0-Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ这条折线后刚度才降低。这条折线可由结构的骨架曲线确定,文B×t×l=149mm×4.27mm×1274mmfy=342MPa;fcu=31.7MPa;No=34.3kN献[2]根据大量钢管混凝土柱的试验结果建议用(MorishitaandTomil,1982)FⅠ=0.2Fc,FⅡ=0.2Fy(或FⅠ′=0.2Fc,FⅡ′=[3]图1钢管混凝土组合柱滞回曲线Fig.1Hystereticcurvesofconcretesteel-0.2Fy)来确定该条折线。此恢复力模型兼有钢结concretefilledsteeltubularcolumn构和钢筋混凝土结构的特点,更能反应钢-混凝土钢管混凝土(CFST)组合柱的荷载-位移滞回组合结构的荷载-位移滞回规律。曲线与骨架曲线一般分为二折线模型和三折线模为使组合结构恢复力模型中相应参数(k0,k2,[3]型,分别模拟无下降断和有下降段的骨架曲线。k3,Xc,Xy)的确定方法更具一般性,不妨把骨架曲影响曲线形状的因素主要有轴压比n0,长细比λ,线分为3段:弹性阶段、弹塑性阶段、塑性阶段。k0梁柱线刚度比k和梁柱的钢材屈服弯矩比km。当为弹性阶段的刚度(对应组合结构屈服前的刚度); 第3期蒋丽忠,等:钢-混凝土组合框架地震弹塑性时程分析3k2为弹塑性阶段(对应组合作用显著降低阶段)的Xc为构件截面开始屈服时对应的位移,Xy为构件刚度,可看作组合作用降低阶段的刚度;k3为塑性屈服后对应的位移。这5个参数可通过试验研究阶段的刚度(对应于剩余组合作用阶段的刚度);和理论计算得到。图3组合框架的退化三线型恢复力模型Fig.3Tri-linearrestoringforcemodelwithconsiderationofrigiditydegradationoncompositeframe对于钢管-混凝土组合柱,可采用文献[3,5,钢-混凝土连续组合梁第一刚度变化点对应6]建议的公式或试验确定上述5个参数。对于钢的位移Xc=Pc/Ke,根据试验研究,建议取组合梁-混凝土连续组合梁骨架曲线上刚度变化点,可以屈服时对应的位移Δy;钢-混凝土连续组合梁第采用文献[4]提出的连续型骨架曲线公式计算,建二刚度变化点对应的位移Xy,可取0.90Pu对应的议分别按以下规定选用。位移作为Xy,也可根据试验结果近似取Xy=(1.51)k0,k2,k3的确定。～2.0)Δy(Δy为屈服位移)。弹性阶段3组合结构弹塑性地震响应的程序PEI(1+ζ)k0==3·f48L设计12323为使图3的三线型刚度退化模程序化,将滞回(4ab/L)+b(3a-b)/L+8bβ1(α1-1)/L曲线也划分为12类,其转换条件和逻辑关系见图式中参数的意义参见文献[7]所述。4所示,图中箭头线若伴随着无箭头黑实线的情况弹塑性阶段的刚度k2可以近似取骨架曲线上2表明该步要进行拐点处理。程序的拐点处理采用点(Δ(0.6P),0.6Pu),(Δ(0.9P),0.9Pu)间的割线刚度。uu[9]近似插值法,参见其他相关文献,这里不再赘述。对于组合梁,建议取k2=(0.6～0.8)Ke。滞回曲线的各回线上的刚度系数的计算方法、各线塑性阶段的刚度Pu,建议取k3=(0.1～0.15)Ke。路间的转换及其条件、线路转换处的反应值的计算2)Xc,Xy的确定。方法见表1所示。图4弹塑性分析程序的转换关系Fig.4Conversionofprogramsforelastic-plasticearthquakeresponse 4铁道科学与工程学报2005年6月表1各刚度之间转换条件及恢复力表达式Table1Conversionofrigidityandexpressionofrestoringforce刚线度路塑性力P线路间的转换条件系号数õk00当X>xc,由õ线→②线;X<-Xc,由õ线→②线①k10当X>X1,由①线→②线;X<-X1,由①线→②线当X0由②→①,记下转折点(4)的坐标(XT,FT),X1=XT;算k1=FT/XT②k2(k1-k2)Xc当X>Xy,由②线→③;记下(XT,FT),Xp=XT,Fp=FT,Xn=XT,Fn=FT当X>-Xy∧ÛxA>0由-○2→①,记下转折点(3)的坐标(XT,FT),X1=-XT;算k1=FT/XT;当X0,由-○3线→-○4线;记下(XT,FT),Xn=XT,Fn=FT当Ûx>0∧XT≠Xp,由④→⑤,记下转折点(B)的坐标(XT,FT),X1=XT;算k5=(Fp-Ft)/(Xp-Xt)④k4Fp-k4Xp当FFA’,由-○4线→-○5;记下转折点(A’)的坐标(XT,FT);算k5=(Fp-FT)/(Xp-XT)当Ûx<0,由⑤→④;⑤k5FT-k5XT当X>Xp,由⑤→③;记下转折点(8或14)的坐标(XT,FT)当Ûx<0,由-○5→○4;-○5k-5FT-k5XT当X
