圆钢管混凝土压弯构件荷载位移滞回模型研究_杨有福

收稿日期:2003-10-24;　修回日期:2003-11-27 基金项目:福建省重大科技项目(2002H070)资助. 作者简介:杨有福(1975-),男,博士,主要从事组合结构研究.文章编号:1000-1301(2003)06-0117-07圆钢管混凝土压弯构件荷载-位移滞回模型研究杨有福,韩林海(福州大学土木建筑工程学院,福建福州350002)摘要:本文采用数值计算方法,对圆钢管混凝土压弯构件荷载-位移滞回关系曲线进行了理论分析。

理论计算结果与实验结果吻合良好。

基于理论模型,分析了各参数,如构件轴压比、长细比、截面含钢率和材料强度等对圆钢管混凝土压弯构件荷载-位移滞回曲线的影响。

最终提出一种圆钢管混凝土压弯构件荷载-位移滞回模型及位移延性系数的简化计算方法。

关键词:钢管混凝土;圆形截面;滞回性能;滞回模型;延性系数中图分类号:P315.9 文献标识码:A Research on load -displacement hysteretic model of concrete -filledcircular steel tu bular beam -columnsYANG You -fu ,HAN Lin -hai(College of Civil Engineering and Architecture ,Fuzhou University ,Fuzhou 350002,China )A bstract :Numerical method is used to analy ze the load -displacement hysteretic behaviors of concrete -filled circu -lar steel tubular beam -columns in this paper .The analy tic results agree well w ith the experimental ones .Based on theo retical model ,influences of several parameters ,such as axial load level ,slenderness ratio ,steel ratio and strength of the materials on the load displacement hysteretic curves are analyzed .Finally ,a kind of load -dis -placement hysteretic model and simplified calculating method for the ductility coefficient of concrete -filled circu -lar steel tubular beam -columns are put forw ard .Key words :concrete -filled steel tube ;circular section ;hy steretic behaviors ;hysteretic models ;ductility coefficient 1　前言 钢管混凝土由于具有承载力高、塑性和韧性好、施工方便和经济效果好等优点,在工程实践中取得了越来越广泛的应用[1]。

以往,国内外学者对圆钢管混凝土压弯构件荷载-位移滞回性能进行了较多研究,例如,Boyd 等(1995)[2],Shams 和Saadeg hvaziri (1997)[3],Fujinag a 等(1998)[4],Elrem aily 和Azizinamini (2002)[5],蔡绍怀等(1992)[6 〗,钟善桐(1994)[7],屠永清(1994)[8],韩林海等(2001)[9]。

但对圆钢管混凝土构件荷载-位移滞回模型的研究则不多见[7～9]。

本文采用纤维模型法,对圆钢管混凝土压弯构件荷载-位移滞回关系曲线进行了理论分析,计算结果得到实验结果的验证。

在文献[9]提出的圆钢管混凝土压弯构件荷载-位移滞回模型的基础上,考虑更大的参 第23卷第6期2003年12月地　震　工　程　与　工　程　振　动EA RT HQ UAK E ENG IN EERI NG A ND ENG IN EERIN G V IBRA T ION V ol .23,No .6Dec .,2003数范围,提出一种适用性更强的圆钢管混凝土压弯构件荷载-位移滞回模型及位移延性系数的简化计算方法。

2　荷载-位移滞回关系的计算 利用与弯矩-曲率滞回关系曲线分析方法类似的方法,即可计算出圆钢管混凝土压弯构件荷载(P )-位移(Δ)滞回关系全曲线[10]。

计算结果表明,圆钢管混凝土构件P -Δ滞回关系曲线的骨架线无论有下降段与否,曲线形状饱满,捏缩现象不明显。

理论计算P -Δ滞回关系曲线和实验结果基本吻合,由于篇幅有限,仅给出部分算例。

图1所示为圆钢管混凝土压弯构件P -Δ滞回关系曲线计算结果和实验结果的对比情况。

图中,D 为钢管直径;t s 为钢管壁厚;L 为构件计算长度;f y 为钢材屈服极限;f cu 为混凝土抗压强度;N 为作用在构件上的轴向荷载;P 为水平荷载;Δ为水平位移。

图1　圆钢管混凝土压弯构件P -Δ滞回曲线3　荷载-位移滞回关系骨架线特点 骨架曲线就是连接各次循环加载峰值点的曲线,计算结果表明,圆钢管混凝土压弯构件荷载-变形滞回曲线的骨架线与单调加载时荷载-变形关系曲线(虚线)基本重合,如图2所示。

下面通过典型算例来分析各参数,如:轴压比(n )、长细比(λ)、含钢率(α)、钢材屈服极限(f y )和混凝土抗压强度(f cu )等对P -Δ关系骨架曲线的影响。

计算的基本条件为:直径D =400m m ,含钢率α=0.1,钢材屈服极限f y =345M Pa ,混凝土强度f cu =60MPa ,计算长度L =4000mm ,轴压比n =0.4。

(1)轴压比(n )图3给出了不同轴压比情况下的P -Δ关系骨架曲线。

从图中可以看出,轴压比[n =N /(φA sc f sc y )]对曲线的形状影响较大,·118· 地　震　工　程　与　工　程　振　动 23卷图2　P -Δ滞回关系曲线与单调加载曲线对比轴压比越大,构件的水平承载力将越小,而且超过峰值点后下降段的下降幅度随轴压比的增大而增大,即构件的位移延性越来越小。

从图中还可以看出,轴压比对曲线弹性阶段的刚度几乎没有影响,这是由于在弹性阶段,构件的变形很小,轴向荷载的二阶效应并不明显所致。

(2)长细比(λ) 图4所示为不同长细比情况下的P -Δ关系骨架曲线。

从图中可以看出,构件的长细比不仅会影响曲线的数值,还会影响曲线的形状。

随着长细比的增加,弹性阶段的刚度越来越小,水平承载力也逐渐减小。

图3　轴压比对P -Δ关系骨架曲线的影响图4　长细比对P -Δ关系骨架曲线的影响 (3)含钢率(α)图5所示为含钢率对P -Δ关系骨架曲线的影响。

可以看出,随着含钢率的提高,构件弹性阶段刚度和水平承载力都有所提高,下降段的下降幅度则基本一致。

但总的来说,含钢率主要影响曲线的数值,对曲线的形状影响不大。

(4)钢材屈服极限(f y ) 图6所示为钢材屈服极限对P -Δ关系骨架曲线的影响。

可以看出,钢材屈服极限对曲线的形状影响不大,但随着钢材屈服极限的增大,构件的水平承载力将逐渐增大。

图5　含钢率对P -Δ关系骨架曲线的影响图6　钢材屈服极限对P -Δ关系骨架曲线的影响·119·6期 杨有福等:圆钢管混凝土压弯构件荷载-位移滞回模型研究 (5)混凝土抗压强度(f c u )图7所示为混凝土抗压强度对P -Δ关系骨架曲线的影响。

可以看出,混凝土强度的改变对构件在弹性阶段的刚度和水平承载力等的影响都较小,但随着混凝土强度的增大,构件的位移延性有逐渐减小的趋势。

4　荷载-位移滞回模型 综上所述,圆钢管混凝土压弯构件的P -Δ滞回特性随其受力性质、材料性能和几何尺寸等的不同而变化。

为了便于工程设计应用,有必要提供P -Δ滞回模型的简化确定方法。

经对大量计算结果的分析,发现在如下参数范围内,即n =0～0.9,α=0.03～0.2,λ=10～80,f y =200～500M Pa ,f cu =30～90M Pa 及约束效应系数ξ=0.2～4,圆钢管混凝土压弯构件的荷载-位移滞回模型可采用图8所示的三线型模型,其中,A 点为骨架线弹性阶段的终点,B 点对应的水平荷载定义为屈服荷载P y ,A 点的水平荷载大小取0.6P y ,模型中还考虑了再加载时的软化问题。

模型参数包括:弹性阶段的刚度(K a )、B 点位移(Δp )和B 点荷载(P y )以及第3段刚度(K T )。

约束效应系数ξ=2·f y /f c k ,f c k 为混凝土抗压强度标准值。

[1]图7　混凝土强度对P -Δ关系骨架曲线的影响图8　圆钢管混凝土P -Δ滞回模型 (1)弹性刚度(K a )由于轴压比对压弯构件弹性阶段的刚度影响很小,所以,圆钢管混凝土压弯构件在弹性阶段的刚度可按与其相对应的纯弯构件刚度计算方法[1],表达式如下:K a =24·K e /L 3(1)式中,K e =E s I s +0.6·E c I c ,为欧洲规范EC4(1994)[11]建议的公式,L 为构件的计算长度。

(2)屈服荷载(P y ) P y 的数值主要与轴压比和约束效应系数有关,如式(2)所示。

P y =1.05·a ·M y /L a ·(0.2·ξ+0.85)·M y /L (1<ξ≤4)(0.2≤ξ≤1)(2)a =1.92-0.004·ξ(2.8-0.68·ξ)·n +0.2·ξ+1.08　(0≤n ≤0.3)(0.3<n <1)(3)式中,M y 为构件在一定轴压比n [=N /(φA sc f scy ),N 为作用在构件上的轴向荷载,φ为构件的稳定系数,A sc 为构件的横截面面积(=πD 2/4),f scy 为承载力指标下的抗弯承载力,按文献[12]给出的公式计算。

(3)B 点位移(Δp )计算结果表明:B 点位移(Δp )主要与长细比,钢材屈服极限和轴压比有关,具体表达式如下:Δp =6.74·[(ln r )2-1.08·ln r +3.33]·f 1(n )·P y (4)·120· 地　震　工　程　与　工　程　振　动 23卷(4)第三段刚度(K T )第三段刚度K T 的表达式如下:K T =0.03·f 2(n )·f (r ,α)·K a(c 2-3.39·c +5.41)(5)式中,c =f cu /60,f 2(n )=3.043·n -0.21(0≤n ≤0.7)0.5·n +1.57(0.7<n <1),f (r ,α)=(8·α-8.6)·r +6·α+0.9　(r ≤1)(15·α-13.8)·r +6.1-α　(r >1)。