型钢混凝土组合框架力学性能非线性分析

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发布时间：2021-09-03

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型钢混凝土组合框架力学性能非线性分析
袁沈峰，王琨，曹大富，郑文忠
(1．扬州大学建筑科学与工程学院，江苏扬州 225127；
2．哈尔滨工业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨 150090)
摘要：在充分考虑混凝土损伤、材料非线性及单元类型的基础上，建立了由预应力(非预应力)型钢
混凝土梁及角钢混凝土柱构成的型钢混凝土组合框架有限元模型，对其在水平荷栽作用下的力学
性能进行数值分析及试验对比验证。在此基础上，进一步研究了水平荷载作用下组合框架受力的
全过程，并对影响此类框架力学性能的主要因素进行了参数敏感性分析。结果表明：组合框架在梁
端和柱底部均出现塑性铰，能实现“强柱弱梁”的破坏机制；随着轴压比增大，水平荷载一位移曲线峰
值荷载先增加后减小，峰值荷载对应的位移减小，延性降低；随着长细比增加，结构刚度降低，峰值
荷载减小，延性增加。
关键词：型钢混凝土梁；角钢混凝土柱；有限元；力学性能；峰值荷栽
中图分类号：TU375．1 文献标志码：A
Nonlinear Analysis of M echanical Property for Steel
Reinforced Concrete Composite Fram e Structure
YUAN Shen—feng ，W ANG Kun ，CAO Da—fu ，ZHENG W en—zhong。
(1．School of Civil Science and Engineering，Yangzhou University，Yangzhou 225127，Jiangsu，China；
2．School of Civil Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150090，Heilongjiang，China)
Abstract：A finite element model(FEM )to simulate the composite frame structure composed of
prestressed (non—prestressed) steel reinforced concrete beam and angle—steel concrete column
under horizontal loading was developed by considering concrete damage，material nonlinearity and
element type，and the mechanical properties acquired from FEM were compared to test results．
According to FEM ，the whole force process of composite frame structure under horizontal loading
was studied，and the primary factors affecting the mechanical property of the frame structure
were analyzed． The results show that the plastic hinges occur at the beam ends and column
bottoms，and the failure mechanism of“strong—column and weak column” can be reached．
Furtherm ore，with increasing of the axial com pression ratio，the ultimate load of horizontal load—
displacement curves increases firstly and then decreases， corresponding to the displacements
decrease and ductilities depress；with increasing of slenderness ratio，the stiffness of structure
decreases，the ultim ate 1oad reduces and the ductility gets better．
Key words：steel reinforced concrete beam；angle—steel concrete column；finite element；mechani—
ca1 property：ultimate load
收稿日期：2014 06 13
基金项目：国家自然科学基金项目(51278445)；江苏省自然科学基金青年项目(BK20140489)；
住房和城乡建设部科学技术计划项目(2014一K2—035)；江苏省普通高校自然科学研究项目(11KJB560006)
作者简介：袁沈峰(1989)，男，江苏如皋人，工学硕士研究生，E—mail：894725582@qq．corn。
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88 建筑科学与工程学报 2014丘
0 引言
预应力型钢混凝土组合框架具有承载力高、抗
震性能好及裂缝可控等优点，已在大跨、承重及转换
结构中得到了广泛的研究与应用口。]。在此基础上，
本文中结合套建增层改造实践经验，提出了一种以
预应力型钢混凝土梁作为框架梁，以角钢混凝土柱
作为框架柱的新型预应力型钢混凝土组合框架结
构。由于该结构在施工阶段可通过梁内型钢承担施
工荷载和流态混凝土自重，实现施工阶段白承重的
功能，同时其预应力筋和喇叭管在框架节点内部布
置相对容易，节点构造简单，已在哈尔滨南岗会堂增
层改造工程中得到了应用 ]。
目前，郑文忠等已针对此类组合框架结构开
展了相关试验研究，并采用OpenEES软件从宏观
层面对此类组合框架开展了滞回性能分析。然而，
所做的试验在宏观层面虽然能给出相关参数对组合
框架抗震性能的影响规律，但是难以从组合结构破
坏过程、破坏形态及局部微观应力、应变状态等层面
进行深入研究。
为此，本文中拟依据试验结果基于ABAQUS
平台建立组合框架精细化有限元模型，考察框架在
水平荷载作用下的受力全过程，并对梁柱端混凝土、
型钢及纵筋的微观应力、应变状态进行细致分析，探
讨组合框架在水平荷载下的受力机理，并进一步研
究不同参数对组合框架荷载一位移曲线的影响，其结
果可为相关研究和工程设计提供参考。
1 数值模型的建立
1．1 基本假定
基本假定如下：①钢筋、型钢和预应力筋与混凝
土之间完全粘结；② 不考虑混凝土徐变、收缩的影
响；③不考虑加载速率对材料强度的影响。
1．2 材料本构模型
(1)混凝土本构模型。混凝土本构采用损伤塑
性模型l6]，屈服条件由Lubliner等提出，并由Lee
和Fenves进行修正，同时采用塑性势面与屈服面不
同的、不相关联的流动法则。塑性势面采用Druck—
er—Pragerl8]提出的静水压力面。
混凝土单轴应力一应变曲线采用《混凝土结构设
计规范》(GB 50010-2010)lg 附录C推荐的本构关
系，如图1所示，其中，s为应变，为应力，厂为抗压
强度，为抗拉强度，e 为压应变，e 为拉应变。混
凝土多轴应力一应变关系为
(a) 单轴受压
fb) 单轴受拉
图1 混凝土单轴应力一应变关系
Fig．1 Relations of Uniaxial Stress-strain of Concrete
= (1一 )D ：(￡一￡ ) (1)
式中：为混凝土的应力张量；d为损伤变量；D；为
材料的初始弹性张量；s，s 分别为混凝土的总应变
张量和塑性应变张量。
王金昌等口。。依据相关资料归纳了损伤变量d
与归一化拉、压塑性应变s⋯ 的关系，如图2所示，
该关系符合一阶指数衰减函数的规律，即
— A0 e Cnorm + B0 (2)
式中：Ao一1／(e o一1)；Bo一一1／(e c 一1)；t()
为确定损伤变量的标定参数，O<￡。≤1。
图2 士￡⋯ 关系
Fig．2 Relation of d and￡～
(2)钢材本构模型。模拟过程中工字型钢、角
钢、钢板箍、纵筋和箍筋均采用理想弹塑性本构模
型，其应力一应变关系如图3所示，其中，为钢材应
力，e 为钢材应变，，均为屈服强度，￡，￡均为
屈服应变。
(3)预应力筋本构模型。预应力筋应力一应变关
系采用的三折线模型_I 见图4，其中，为预应力
筋应力，e。为预应力筋应变，E。为比例阶段弹性刚
度，E。为非比例阶段弹性刚度，E。。为条件屈服后