2011-预应力H型钢混凝土组合梁动力性能参数分析_计静

第28卷 第1期2011年3月

建筑科学与工程学报

Journal of Architect ure and Civil Engineering

Vol.28 No.1M ar.2011

文章编号:1673-2049(2011)01-0033-09

收稿日期:2010-12-02

基金项目:/十一五0国家科技支撑计划项目(2006BAJ 03A10);国家自然科学基金项目(50178026);

黑龙江省自然科学基金重大项目(ZD200806)

作者简介:计 静(1977-),男,黑龙江五常人,副教授,工学博士,E -mail:jijing1977@ 。

预应力H 型钢混凝土组合梁动力性能参数分析

计 静1

,郑文忠2

,张文福

1

(1.东北石油大学土木建筑工程学院,黑龙江大庆 163318; 2.哈尔滨工业大学

土木工程学院,黑龙江哈尔滨 150090)

摘要:为获得预应力H 型钢混凝土新型组合梁的恢复力模型,对7根跨度为3800mm 、2根跨度为

4500mm 的预应力型钢混凝土简支梁的骨架曲线进行了仿真分析,探讨了综合配筋指标、预应力度、预应力筋合力点到梁下边缘距离及混凝土轴心抗压强度4个参数对截面单调弯矩-曲率曲线和构件单调荷载-位移曲线的影响,同时考察了综合配筋指标、预应力度对构件截面曲率延性和构件位移延性的影响;最后统计回归出预应力H 型钢混凝土组合梁曲率延性和位移延性的计算公式,建立了预应力H 型钢混凝土组合梁弯矩-曲率恢复力模型和荷载-位移恢复力模型。结果表明:预应力H 型钢混凝土组合梁具有良好的抗震性能,建立的恢复力模型可为该类梁的结构弹塑性动力分析提供参考。

关键词:预应力H 型钢混凝土;组合梁;预应力度;恢复力模型;动力性能中图分类号:T U378.2 文献标志码:A

Parameter Analysis on Dynamic Performance of Prestressed

H -steel Reinforced Concrete Composite Beams

JI Jing 1,ZH ENG Wen -zhong 2,ZH AN G Wen -fu 1

(1.School of Civ il Eng ineer ing and Ar chitect ur e,N or theast P etro leum U niver sity,Daqing 163318,H eilo ng jiang ,China;2.Schoo l o f Civil Eng ineering ,H arbin Inst itute of T echno lo gy ,H arbin 150090,H eilongjiang,China)

Abstract:In or der to acquir e the restoring force m odels on the new prestressed H -steel reinforced

concr ete composite beam s,the sim ulation analysis w as perfo rmed o n 7span 3800m m and 2span 4500mm prestressed steel r einfo rced concrete simple beams.The influences o f four factors on the m onotone mom ent -curv ature curv e of section and the m onotone load -displacement curv e of member w er e discussed,w hich w ere g lobal r einfo rcing index,prestressing deg ree,the distance fro m the centre of prestressing tendo n to the botto m of the beams and ax ial co mpr essive str ength of concrete,and the influences of tw o factors on cur vature ductility of section and displacem ent ductility o f member w er e investigated,w hich w ere the glo bal reinforcing index and prestressing degree.T he calculatio n fo rmulas o f the cur vature ductility and the displacem ent ductility of prestressed H -steel reinfor ced concr ete composite beam s w ere g iven by the statistical regression.Finally,the restoring force models for the mo ment -curvature and the load -displacem ent of prestressed H -steel reinforced concrete com posite beams w ere established.T he results show that prestressed H -steel reinforced concr ete co mpo site beams possess g ood seismic perform ance,the

restoring for ce mo dels can provide references for elasto-plastic dynam ic analysis on structures of this kind of beam s.

Key words:prestressed H-steel reinforced concrete;co mposite beam;pr estressing deg ree;restor-ing force model;dynam ic perfo rmance

0引言

目前,既有房屋的套建增层改造已经成为中国城市建设的热点问题之一[1-3]。为保证套建增层过程中既有房屋的正常使用,避免将施工阶段的荷载传至原房屋屋盖,笔者提出了以预应力H型钢混凝土组合梁作为框架梁、以角钢混凝土柱作为框架柱的新型框架结构[4-5],通过在H型钢的下面挂底模,并以底模为支承设置侧模,来实现在浇筑混凝土过程中由预应力H型钢承担梁自重和施工荷载,在使用阶段预应力H型钢混凝土组合梁与角钢混凝土柱通过节点形成外套框架承担新增荷载。新型框架结构中采用的预应力H型钢混凝土(PH SRC)组合梁具有预应力梁和钢骨混凝土梁的双重优点,是一种新型、高效且很有发展前途的结构形式。

对于常规的结构形式,如混凝土结构、预应力混凝土结构、钢结构、组合结构等的研究都经历了一定的发展历程,取得了一定的成果。但各国对预应力型钢混凝土梁抗震性能方面的研究很少,傅传国[6]进行了两榀在转换大梁中采用预应力型钢混凝土结构和普通钢筋混凝土转换大梁的叠层空腹桁架结构1B8比例缩尺模型在水平低周反复荷载下的抗震性能试验,试验结果表明,采用预应力型钢混凝土转换大梁的结构模型,其总体受力性能和抗震性能明显优于普通钢筋混凝土结构模型。薛伟辰等[7]进行了2根不同预应力度的预应力钢骨混凝土梁低周反复荷载试验,研究了PH SRC梁的破坏形态、变形恢复能力、延性、刚度退化和耗能能力等重要抗震性能指标,但目前在大量参数分析基础上可应用于结构动力分析的PH SRC梁恢复力模型尚未见报道。

本文中笔者分别对文献[7]中的2根跨度为4500mm的PH SRC梁荷载-位移(P-$)骨架曲线、文献[8]中的7根跨度为3800mm的PH SRC梁单调弯矩-位移(M-$)曲线进行了仿真分析,分析结果与试验结果吻合良好。基于仿真分析方法,考察了综合配筋指标B0、预应力度K0、预应力筋合力点到梁下边缘距离h p及混凝土轴心抗压强度f c这4个参数对构件截面单调弯矩-曲率(M-U)曲线和构件单调P-$曲线的影响,建立了与试验结果吻合良好的M-U和P-$恢复力模型,为采用该类梁的结构弹塑性动力分析提供参考。

1单调荷载-位移曲线的仿真分析

首先采用纤维模型法[9]进行各个截面的弯矩-曲率分析,得到弯矩-曲率关系后,采用共轭梁法可获得构件的单调荷载-位移关系曲线。

1.1材料的本构模型

1.1.1混凝土的本构关系

混凝土应力-应变关系受压曲线由抛物线的上升段和直线的下降段组成,受拉曲线为直线段,其数学表达式为

R c=

E c E c f t/E c[E c<0

f c[1-(1-E c/E0)2]0[E c[E0

f c+E cn(E c-E0)E0

(1)

式中:f t为混凝土轴心抗拉强度标准值;R c为混凝土的应力;E c、E0、E cu分别为混凝土的应变、混凝土达到抗压强度时对应的应变及混凝土的极限应变;

E c、E cn分别为混凝土受拉段和下降段的弹性模量[10]。

1.1.2钢筋和钢骨的本构关系

普通钢筋的应力-应变关系数学表达式为

R s=

E s E s0[E s[E sy

f y E s>E sy

(2)式中:f y为普通钢筋的抗拉强度标准值;R s为普通钢筋的应力;E s、E sy分别为普通钢筋的应变和普通钢筋达到抗拉强度时对应的应变;E s为普通钢筋的弹性模量。

钢骨的本构关系与钢筋相同。

1.1.3预应力筋的本构关系

预应力筋的应力-应变关系采用三段式,即

R p=

E p1E p E p

f p1+E p2(E p-E p1)E p1[E p[E p2

f p2+E p3(E p-E p2)E p2

(3)式中:f p1、f p2分别为预应力筋应力-应变曲线上三分段拐点处对应的应力;R p为预应力筋的应力;E p 为预应力筋的应变;E p1、E p2、E p3分别为预应力筋应力-应变曲线上三分段拐点处对应的应变;E p1、E p2、

34建筑科学与工程学报2011年