型钢混凝土柱粘结滑移本构关系与粘结滑移恢复力模型
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其次对同一构件由于各截所处的位臵不同其受力状态即应力状态是不同的同作用下的粘结滑移本构关系时首先根据试验结果确定柱根部位臵处因该处粘结应力和滑移的测试较稳定2s曲线有完整的上升段和下2s关系并把它作为型钢混凝土在该受力状特征粘结强度和特征滑移根据试验得到的粘结应力2滑移关系曲线可定义三个特征点如图点位于直线上表示相应的滑移用sl表示滑移曲线上的峰值点对应的粘结应力称之为极限粘结强度表示相应的滑移用su表示点为粘结应力2滑移曲线下降平缓段起始点对应的粘结应力称之为残余粘结强度表示相应的滑移用sr表示然后通过分析建立一个由于截面变化而导致粘结滑移状况发生改变的位臵函数f2共同实现对构件粘结滑移本构关系的描述典型2s曲线及特征点typical2scurveitscharateristicpo基准粘结应力2滑移关系曲线为试验得到的距柱底50mm处典型的通过试验剪力作用下型钢混凝土柱的粘结应力与作用构件上的荷载并不存在简单的对应关系粘结应力只能通过平衡条件由特定荷载级别下型钢等效应应变分布曲线求导得到
・ 47 ・
提出了一些亟待解决的问题 , 其中之一就是型钢与混 凝土之间的粘结滑移关系 。与钢筋混凝土结构中钢 筋与混凝土之间的数值模拟类似 , 型钢与混凝土之间 粘结滑移的数值模拟非常重要 , 主要表现在建立合理 的粘结单元 ,确定合理的粘结刚度以及粘结滑移本构 关系等 。因此 ,要改进和完善现行型钢混凝土结构计 算理论 ,采用有限元法或界面应力元法对复杂结构进 行准确的分析计算 ,就必须对型钢混凝土的粘结滑移 本构关系进行深入研究 。 钢筋混凝土的研究表明 ,粘结退化是影响混凝土结 构非线性动力反应的一个重要因素 ,反复拉压循环下的 粘结 2 滑移滞回曲线 ,对钢筋混凝土梁柱 、 节点等构件的 恢复力特性有着决定性的影响。这一点对型钢混凝土 结构同样适应 ,由于型钢与混凝土之间的粘结作用没有 钢筋与混凝土之间的粘结作用强 ,粘结退化给型钢混凝 土结构构件受力性能带来的影响更大 。因此 ,如何保证 反复荷载下型钢混凝土结构构件的锚固安全 ,以及如何 在风荷载、 地震荷载作用下对型钢混凝土结构构件进行 弹塑性全过程分析时 ,准确给定型钢与混凝土之间的粘 结2 滑移本构关系和粘结 2 滑移恢复力模型 ,对保证结构 构件计算分析结果的精度就尤为重要 。 正因为如此 ,笔者进行了一系列反复荷载下型钢混 凝土柱粘结滑移性能试验 ,通过试验获得了弯矩、 轴力、 反复水平剪力共同作用下型钢混凝土柱的粘结应力与 滑移大小、 粘结应力与滑移沿柱高的分布规律以及反复 加载下的粘结退化规律等
[ 82 9]
。本文则是在这些试验研
究的基础上 ,进一步构建型钢混凝土柱的粘结应力 2 滑 移本构关系和粘结应力 2 滑移恢复力模型 。
1 粘结滑移本构关系的描述
为了建立型钢混凝土柱在弯矩 、 轴力 、 剪力共同 作用下的粘结滑移本构关系和粘结滑移恢复力模型 , 共设计了 20 个试件 ,考虑剪跨比 、 轴压比 、 配箍率等参 数的影响 ,对试件采用低周反复加载 。加载时先通过 千斤顶及荷载传感器施加轴向荷载到恒定值 , 然后保 持该轴向压力不变 ,由水平作动器往复推拉施加水平 荷载 ,同时测定各级荷载下型钢翼缘的应变分布以及 型钢与混凝土之间的相对滑移 。试验参数设计 、 加载 装置 、 测试方案以及主要试验结果详见文献 [ 7 ]。 图 1 为试验得到的沿柱高不同位置处 , 型钢翼缘 外侧粘结应力与滑移的关系曲线 , 即 τ2s 曲线 。图中 ,
[ 52 7]
应变片经换算间接求得 , 滑移由电子滑移传感器测 得 。由于应变片和滑移传感器布置在某一侧翼缘 , 当 作动器水平推时 ,该侧翼缘受压 , 本文将此时的 τ2s 关 系称之为受压本构关系 ; 当作动器水平拉时 , 该侧翼 缘受拉 (轴力较小而水平荷载较大 ) 或受压较小 (水平 荷载较小时 ) , 为方便起见 , 本文将此时的 τ2s 关系称 之为受拉本构关系 (下同 ) 。
图 1 沿柱高不同位置的粘结应力 2 滑移关系曲线
F ig. 1 Curve of bond 2slip for var ious position s a long
从图 1中可以看出 ,沿柱高不同位置处的粘结应力 2 滑移关系曲线有很大的不同。柱下部 (X = 50mm )和中部 位置 (X = 250mm )的 τ 2s曲线由上升段和下降段组成 ,而 ( 柱上部位置 X = 450mm )的 τ 2s曲线只有上升段 ,没有下 降段 ;柱根部位置的粘结应力峰值 (粘结强度 )小 ,滑移量 大 ,越靠近柱顶 ,粘结应力峰值越大 ,滑移量越小。 型钢混凝土柱沿柱高不同位置处的粘结应力 2 滑移 关系曲线差异很大 ,这就要求在建立粘结滑移本构关系 时 ,既要考虑沿柱高某一特定点的 τ 2s关系 ,同时要考虑 位置不同而产生的影响。这与普通意义上的应 力2 应变关系中 ,应力与应变一一对应 ;而在型钢混凝土构 件粘结滑移关系中 ,由于各截面所处位置的不同 ,某一特 定滑移量并不只有唯一的粘结应力值与之相对应。产生 这一现象的原因可以从型钢混凝土构件的粘结滑移机理 加以解释 :在型钢混凝土构件中 ,型钢与混凝土之间在某 一点的粘结应力本质上取决于该处型钢与混凝土之间的 胶结、 咬合、 摩擦状态 ,其大小与该点的型钢应变梯度有 关 ;滑移则是由于型钢与混凝土的变形不协调而引起的 , 滑移量的大小取决于某一特定区段内型钢与混凝土的变 形差。因此 ,粘结应力是一个点量 ,而滑移则是一个区域 量 ,尽管某点粘结应力的大小可以确定 ,但是由于包含该 点的粘结区域位置和受力状态不同 ,滑移量也会不同。 同时 ,对于受力状态的不同 ,又要从两个方面加以理解 , 首先就是对于不同的受力构件 ,如梁、 柱、 节点 ,由于荷载 作用形式不同 ,其受力状态是不同的。因此推出试验 [ 10 ] [ 112 12 ] 和拉拔试验 中构件的 τ 2s关系与偏压柱试验 的τ 2s 关系不同 ,同样在弯矩、 轴力、 剪力共同作用下 ,型钢混凝 τ τ 土柱的 2s关系与偏压柱的 2s关系又会不同。这就是为
引 言
型钢混凝土结构在高层和超高层建筑中具有显
基金项目 : 国家自然科学基金项目 ( 50908118) ,宁波市自然科学基金项 目 ( 2006A610096) 作者简介 : 李俊华 ,博士 ,副教授 收稿日期 : 2008 2 10 2 13
著的性能优势 ,其应用日趋广泛 。但是型钢与混凝土 之间的粘结力小 ,荷载作用下容易在二者的界面上产 生相对滑移关系 ,这种滑移的存在将降低型钢混凝土 的共同工作性能并直接影响构件的承载力 、 变形和裂 [ 12 3] 缝宽度 。因此 , 型钢混凝土的粘结滑移性能长期 [4] 以来备受学术界和工程界重视 。 有限元与界面应力元的发展和完善 , 为各种复杂 型钢混凝土结构构件的分析提供了新的手段 , 同时也
( 1. 宁波大学 ,浙江宁波 315211; 2. 西安建筑科技大学 ,陕西西安 710055 )
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摘要 : 进行了弯矩 、 轴力 、 剪力共同作用下型钢混凝土柱的粘结滑移性能试验 。以试验所得的粘结应力 2 滑 移关系曲 线为基础 ,定义了三个特征粘结应力点 ,并提出了特征粘结强度 、 特征滑移的统计回归计算公式 , 建立了型钢混凝 土柱距柱底 50mm 处的基准粘结滑移本构模型 。以基准粘结滑移本构模型为基础 ,引入反应不同位置粘结应力和 滑移分布差异的位置函数 ,建立了型钢混凝土柱任意位置的粘结滑移本构关系 。综合考虑反复荷载作用下型钢混 凝土柱粘结强度 、 滑移刚度退化规律 ,建立了型钢混凝土柱粘结滑移恢复力模型 , 提出了恢复力模型中骨架曲线 、 加卸载刚度的确定方式 ,加卸载路径 、 强度衰减规律以及滞回环规则 。研究结果为型钢混凝土柱考虑粘结滑移的 有限元分析和地震反应全过程分析提供了必要条件 。 关键词 : 型钢混凝土 ; 柱 ; 粘结滑移本构关系 ; 粘结滑移恢复力模型 中图分类号 : TU398 文献标识码 : A 文章编号 : 1000 2 131X ( 2010 ) 03 2 0046 2 07
Bond 2slip con stitutive rela tion and bond 2slip resilience m odel of shape 2steel re in forced concrete column s
L i J unhua L i Yushun W ang J ianm in W ang X in tang X ue J ianyang
第 43 卷第 3 期 2 0 1 0 年 3月
土 木 工 程 学 报
CH INA C IV I L ENG INEER ING JO URNAL
Vol . 43 No. 3 M ar . 2010
型钢混凝土柱粘结滑移本构关系与 粘结滑移恢复力模型
李俊华 李玉顺 王建民 王新堂 薛建阳
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( 1. N ingbo University, N ingbo 315211, China; 2. Xi’ an University of A rchitecture & Technology, Xi’ an 710055, China ) Abstract: A series tests are conducted to study the bond2slip behavior of shape 2steel reinforced concrete columns under bending, shear and axial forces . According to the experim ental results of bond 2slip curves at the point 50mm from the bottom of columns, three key bond strengths and the corresponding slippages are defined, and for mulas for calculation of these key bond strengths and slippages are deter m ined through regression. U sing these key bond strengths and slippages, the basic bond 2slip constitutive models are established. A position function reflecting the difference of bond stress and slippage in various p laces along the column is p resented. Based on the basic bond 2slip constitutive models and position function, a bond2slip constitutive equation app licable to all positions along the column is for mulated. Considering bond degeneration in cyclic reversed loading, a bond 2slip resilience model of shape2steel reinforced concrete column is p roposed. Method is introduced to confir m the skeleton curve and loading rigidity as well as the strength attenuation and hysteretic rule of the bond 2slip resilience model . The p roposed bond 2slip constitutive relation and bond 2slip resilience model may be emp loyed for finite element analysis and seis m ic reaction analysis of shape 2steel reinforced concrete columns . Keywords: steel reinforced concrete; colum n; bond 2slip constitutive relation; bond 2slip resilience model E2 ma il: lijunhua@ nbu. edu. cn
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
第 43 卷 第 3期
李俊华等 ・ 型钢混凝土柱粘结滑移本构关系与粘结滑移恢复力模型
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提出了一些亟待解决的问题 , 其中之一就是型钢与混 凝土之间的粘结滑移关系 。与钢筋混凝土结构中钢 筋与混凝土之间的数值模拟类似 , 型钢与混凝土之间 粘结滑移的数值模拟非常重要 , 主要表现在建立合理 的粘结单元 ,确定合理的粘结刚度以及粘结滑移本构 关系等 。因此 ,要改进和完善现行型钢混凝土结构计 算理论 ,采用有限元法或界面应力元法对复杂结构进 行准确的分析计算 ,就必须对型钢混凝土的粘结滑移 本构关系进行深入研究 。 钢筋混凝土的研究表明 ,粘结退化是影响混凝土结 构非线性动力反应的一个重要因素 ,反复拉压循环下的 粘结 2 滑移滞回曲线 ,对钢筋混凝土梁柱 、 节点等构件的 恢复力特性有着决定性的影响。这一点对型钢混凝土 结构同样适应 ,由于型钢与混凝土之间的粘结作用没有 钢筋与混凝土之间的粘结作用强 ,粘结退化给型钢混凝 土结构构件受力性能带来的影响更大 。因此 ,如何保证 反复荷载下型钢混凝土结构构件的锚固安全 ,以及如何 在风荷载、 地震荷载作用下对型钢混凝土结构构件进行 弹塑性全过程分析时 ,准确给定型钢与混凝土之间的粘 结2 滑移本构关系和粘结 2 滑移恢复力模型 ,对保证结构 构件计算分析结果的精度就尤为重要 。 正因为如此 ,笔者进行了一系列反复荷载下型钢混 凝土柱粘结滑移性能试验 ,通过试验获得了弯矩、 轴力、 反复水平剪力共同作用下型钢混凝土柱的粘结应力与 滑移大小、 粘结应力与滑移沿柱高的分布规律以及反复 加载下的粘结退化规律等
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。本文则是在这些试验研
究的基础上 ,进一步构建型钢混凝土柱的粘结应力 2 滑 移本构关系和粘结应力 2 滑移恢复力模型 。
1 粘结滑移本构关系的描述
为了建立型钢混凝土柱在弯矩 、 轴力 、 剪力共同 作用下的粘结滑移本构关系和粘结滑移恢复力模型 , 共设计了 20 个试件 ,考虑剪跨比 、 轴压比 、 配箍率等参 数的影响 ,对试件采用低周反复加载 。加载时先通过 千斤顶及荷载传感器施加轴向荷载到恒定值 , 然后保 持该轴向压力不变 ,由水平作动器往复推拉施加水平 荷载 ,同时测定各级荷载下型钢翼缘的应变分布以及 型钢与混凝土之间的相对滑移 。试验参数设计 、 加载 装置 、 测试方案以及主要试验结果详见文献 [ 7 ]。 图 1 为试验得到的沿柱高不同位置处 , 型钢翼缘 外侧粘结应力与滑移的关系曲线 , 即 τ2s 曲线 。图中 ,
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应变片经换算间接求得 , 滑移由电子滑移传感器测 得 。由于应变片和滑移传感器布置在某一侧翼缘 , 当 作动器水平推时 ,该侧翼缘受压 , 本文将此时的 τ2s 关 系称之为受压本构关系 ; 当作动器水平拉时 , 该侧翼 缘受拉 (轴力较小而水平荷载较大 ) 或受压较小 (水平 荷载较小时 ) , 为方便起见 , 本文将此时的 τ2s 关系称 之为受拉本构关系 (下同 ) 。
图 1 沿柱高不同位置的粘结应力 2 滑移关系曲线
F ig. 1 Curve of bond 2slip for var ious position s a long
从图 1中可以看出 ,沿柱高不同位置处的粘结应力 2 滑移关系曲线有很大的不同。柱下部 (X = 50mm )和中部 位置 (X = 250mm )的 τ 2s曲线由上升段和下降段组成 ,而 ( 柱上部位置 X = 450mm )的 τ 2s曲线只有上升段 ,没有下 降段 ;柱根部位置的粘结应力峰值 (粘结强度 )小 ,滑移量 大 ,越靠近柱顶 ,粘结应力峰值越大 ,滑移量越小。 型钢混凝土柱沿柱高不同位置处的粘结应力 2 滑移 关系曲线差异很大 ,这就要求在建立粘结滑移本构关系 时 ,既要考虑沿柱高某一特定点的 τ 2s关系 ,同时要考虑 位置不同而产生的影响。这与普通意义上的应 力2 应变关系中 ,应力与应变一一对应 ;而在型钢混凝土构 件粘结滑移关系中 ,由于各截面所处位置的不同 ,某一特 定滑移量并不只有唯一的粘结应力值与之相对应。产生 这一现象的原因可以从型钢混凝土构件的粘结滑移机理 加以解释 :在型钢混凝土构件中 ,型钢与混凝土之间在某 一点的粘结应力本质上取决于该处型钢与混凝土之间的 胶结、 咬合、 摩擦状态 ,其大小与该点的型钢应变梯度有 关 ;滑移则是由于型钢与混凝土的变形不协调而引起的 , 滑移量的大小取决于某一特定区段内型钢与混凝土的变 形差。因此 ,粘结应力是一个点量 ,而滑移则是一个区域 量 ,尽管某点粘结应力的大小可以确定 ,但是由于包含该 点的粘结区域位置和受力状态不同 ,滑移量也会不同。 同时 ,对于受力状态的不同 ,又要从两个方面加以理解 , 首先就是对于不同的受力构件 ,如梁、 柱、 节点 ,由于荷载 作用形式不同 ,其受力状态是不同的。因此推出试验 [ 10 ] [ 112 12 ] 和拉拔试验 中构件的 τ 2s关系与偏压柱试验 的τ 2s 关系不同 ,同样在弯矩、 轴力、 剪力共同作用下 ,型钢混凝 τ τ 土柱的 2s关系与偏压柱的 2s关系又会不同。这就是为
引 言
型钢混凝土结构在高层和超高层建筑中具有显
基金项目 : 国家自然科学基金项目 ( 50908118) ,宁波市自然科学基金项 目 ( 2006A610096) 作者简介 : 李俊华 ,博士 ,副教授 收稿日期 : 2008 2 10 2 13
著的性能优势 ,其应用日趋广泛 。但是型钢与混凝土 之间的粘结力小 ,荷载作用下容易在二者的界面上产 生相对滑移关系 ,这种滑移的存在将降低型钢混凝土 的共同工作性能并直接影响构件的承载力 、 变形和裂 [ 12 3] 缝宽度 。因此 , 型钢混凝土的粘结滑移性能长期 [4] 以来备受学术界和工程界重视 。 有限元与界面应力元的发展和完善 , 为各种复杂 型钢混凝土结构构件的分析提供了新的手段 , 同时也
( 1. 宁波大学 ,浙江宁波 315211; 2. 西安建筑科技大学 ,陕西西安 710055 )
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摘要 : 进行了弯矩 、 轴力 、 剪力共同作用下型钢混凝土柱的粘结滑移性能试验 。以试验所得的粘结应力 2 滑 移关系曲 线为基础 ,定义了三个特征粘结应力点 ,并提出了特征粘结强度 、 特征滑移的统计回归计算公式 , 建立了型钢混凝 土柱距柱底 50mm 处的基准粘结滑移本构模型 。以基准粘结滑移本构模型为基础 ,引入反应不同位置粘结应力和 滑移分布差异的位置函数 ,建立了型钢混凝土柱任意位置的粘结滑移本构关系 。综合考虑反复荷载作用下型钢混 凝土柱粘结强度 、 滑移刚度退化规律 ,建立了型钢混凝土柱粘结滑移恢复力模型 , 提出了恢复力模型中骨架曲线 、 加卸载刚度的确定方式 ,加卸载路径 、 强度衰减规律以及滞回环规则 。研究结果为型钢混凝土柱考虑粘结滑移的 有限元分析和地震反应全过程分析提供了必要条件 。 关键词 : 型钢混凝土 ; 柱 ; 粘结滑移本构关系 ; 粘结滑移恢复力模型 中图分类号 : TU398 文献标识码 : A 文章编号 : 1000 2 131X ( 2010 ) 03 2 0046 2 07
Bond 2slip con stitutive rela tion and bond 2slip resilience m odel of shape 2steel re in forced concrete column s
L i J unhua L i Yushun W ang J ianm in W ang X in tang X ue J ianyang
第 43 卷第 3 期 2 0 1 0 年 3月
土 木 工 程 学 报
CH INA C IV I L ENG INEER ING JO URNAL
Vol . 43 No. 3 M ar . 2010
型钢混凝土柱粘结滑移本构关系与 粘结滑移恢复力模型
李俊华 李玉顺 王建民 王新堂 薛建阳
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( 1. N ingbo University, N ingbo 315211, China; 2. Xi’ an University of A rchitecture & Technology, Xi’ an 710055, China ) Abstract: A series tests are conducted to study the bond2slip behavior of shape 2steel reinforced concrete columns under bending, shear and axial forces . According to the experim ental results of bond 2slip curves at the point 50mm from the bottom of columns, three key bond strengths and the corresponding slippages are defined, and for mulas for calculation of these key bond strengths and slippages are deter m ined through regression. U sing these key bond strengths and slippages, the basic bond 2slip constitutive models are established. A position function reflecting the difference of bond stress and slippage in various p laces along the column is p resented. Based on the basic bond 2slip constitutive models and position function, a bond2slip constitutive equation app licable to all positions along the column is for mulated. Considering bond degeneration in cyclic reversed loading, a bond 2slip resilience model of shape2steel reinforced concrete column is p roposed. Method is introduced to confir m the skeleton curve and loading rigidity as well as the strength attenuation and hysteretic rule of the bond 2slip resilience model . The p roposed bond 2slip constitutive relation and bond 2slip resilience model may be emp loyed for finite element analysis and seis m ic reaction analysis of shape 2steel reinforced concrete columns . Keywords: steel reinforced concrete; colum n; bond 2slip constitutive relation; bond 2slip resilience model E2 ma il: lijunhua@ nbu. edu. cn
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
第 43 卷 第 3期
李俊华等 ・ 型钢混凝土柱粘结滑移本构关系与粘结滑移恢复力模型