杜家翰

（蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

1 框架模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)方法選擇

結(jié)構(gòu)滯回理論大體經(jīng)歷了4 個(gè)階段：靜態(tài)理論、響應(yīng)譜理論、直接動(dòng)態(tài)分析理論與隨機(jī)彈塑性理論。其試驗(yàn)方法也有相似的階段：靜力實(shí)驗(yàn)方法階段、動(dòng)力測(cè)試階段和實(shí)地測(cè)試階段、用于地震模擬的振動(dòng)臺(tái)測(cè)試方法（直接動(dòng)力）、滯回特性試驗(yàn)的廣泛應(yīng)用階段。

擬靜力實(shí)驗(yàn)包括了兩種含義：①試驗(yàn)過(guò)程中，載荷的增加速率很低，即可以不考慮因應(yīng)變速率產(chǎn)生的影響；②擬靜力試驗(yàn)既是單調(diào)加載又是循環(huán)加載的過(guò)程。

綜合經(jīng)濟(jì)原因、試驗(yàn)裝置的限制以及試驗(yàn)結(jié)果的可對(duì)比性等原因，決定使用擬靜力方法進(jìn)行本次試驗(yàn)。

1.2 框架模型設(shè)計(jì)

本次實(shí)驗(yàn)中，按照實(shí)際比例設(shè)計(jì)出一個(gè)具有方鋼管框架柱的高延性纖維混凝土的測(cè)試模型，框架柱截面大小為200mm×200mm。方鋼管由4 塊厚度為20mm 鋼板焊接組成，其材料為Q345 鋼，內(nèi)填混凝土為C40，框架梁使用截面大小為200mm×400mm 的鋼筋混凝土梁，梁柱連接方式使用裝配式連接，框架柱底部由錨栓固結(jié)在基礎(chǔ)梁上，基礎(chǔ)梁澆筑混凝土標(biāo)號(hào)為C30。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與比較

2.1 試驗(yàn)框架模型滯回性能分析

圖1 給出了實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谥芷诤奢d作用下的位移所表現(xiàn)出來(lái)的滯回曲線，重復(fù)加載后繪制出多個(gè)滯回環(huán)，將繪制的滯回環(huán)表現(xiàn)在同一個(gè)坐標(biāo)系下即生成了完整的滯回曲線，圖1 中任一滯回環(huán)所形成的面積意味著周期載荷經(jīng)歷一個(gè)循環(huán)周期時(shí)模型吸收的能量，結(jié)構(gòu)的耗能能力可由此體現(xiàn)。

圖1 框架滯回曲線

這直接反映出高延性纖維混凝土結(jié)構(gòu)擁有優(yōu)越的滯回性能，雖然滯回曲線飽滿度較高，但“捏攏”效應(yīng)沒(méi)有很好體現(xiàn)出來(lái)，整體結(jié)構(gòu)位移滯回曲線捏縮程度欠佳，在這里一個(gè)重要的原因就是方鋼管對(duì)內(nèi)填混凝土有很強(qiáng)的抑制作用，即便內(nèi)填混凝土部分開(kāi)裂，也不會(huì)引起框架結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度的突變。但是如果鋼筋混凝土梁開(kāi)裂，會(huì)導(dǎo)致整體實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膭偠劝l(fā)生突變，滯回曲線的“捏攏”效果不佳正是由此而來(lái)。

圖1 也顯示了整體在框架屈服之前，因卸載所生成的殘余應(yīng)變較低，總體變形較小，在單次載荷加載循環(huán)中所繪制的滯回環(huán)辨識(shí)度較低。在屈服之后，隨著往復(fù)載荷的逐漸增大，框架變形也逐漸明顯，繪制出的滯回環(huán)也顯得更加飽滿。結(jié)構(gòu)承載能力也隨之加強(qiáng)，直到位移加載到3.5△y（首次屈服位移）時(shí)，鋼筋套筒的斷裂直接導(dǎo)致了承載能力的斷崖式降低。

2.2 試驗(yàn)框架模型骨架曲線分析

如圖2 所示，本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谥芷谘h(huán)載荷以及位移控制條件下，模型所發(fā)生的變化大致可以用3 個(gè)階段表示：①?gòu)椥噪A段（屈服前）；②彈塑性階段（屈服但未破壞）；③斷裂破壞階段。

表1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诩虞d過(guò)程中各部數(shù)據(jù)

圖2 框架骨架曲線

彈性階段（屈服前：OA）。從載荷的加載開(kāi)始到曲線再到達(dá)拐點(diǎn)，指的是控制載荷階段。加載與卸載均表現(xiàn)為直線，整體結(jié)構(gòu)位于彈性階段，p-△骨架曲線大體為直線，斜率也不會(huì)發(fā)生變化。

彈塑性階段（AB）。在正向負(fù)載時(shí)，結(jié)構(gòu)位移加載在1.5△y~3.0△y之間所發(fā)生的七次循環(huán)就是本階段，意味著荷載由屈服點(diǎn)A（P=160kN）變化到B（Pmax=272kN）的過(guò)程。

在彈塑性階段時(shí)，P-△骨架曲線逐漸發(fā)生彎曲并隨后變化成接近一條直線，說(shuō)明框架模型結(jié)構(gòu)的整體剛度逐漸下降，位移變化速率增加，而荷載變化速率降低。隨著往復(fù)加載的過(guò)程，這種剛度下降的過(guò)程也越來(lái)越明顯。

破壞階段（BC）。從加載到模型上載荷的最大荷載點(diǎn)B（Pmax=272kN）到框架結(jié)構(gòu)破壞點(diǎn)C（Pu=235kN）。在此階段隨著位移的增加，荷載逐步下降。這是由于鋼筋套筒的斷裂結(jié)構(gòu)發(fā)生損壞。

2.3 模型的延性與塑性變形能力

一個(gè)框架結(jié)構(gòu)的延性是其滯回性能中一個(gè)至關(guān)重要的表現(xiàn)形式，通常是指在結(jié)構(gòu)加載試驗(yàn)的開(kāi)始到加載再到極限承載力后，繼續(xù)加載時(shí)，結(jié)構(gòu)仍然擁有的變形能力，研究者們一般通過(guò)制定一些指標(biāo)來(lái)描述結(jié)構(gòu)的延性。框架結(jié)構(gòu)的延性通常使用頂部橫梁兩側(cè)位移延性系數(shù)μ△u表示：

式中:△μ-框架模型被完全破壞后的位移；△y-結(jié)構(gòu)開(kāi)始發(fā)生屈服時(shí)的位移。

表1 給出了測(cè)得的框架頂點(diǎn)位移與對(duì)應(yīng)的延性系數(shù)。觀察表中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，本次試驗(yàn)框架模型抑制變形的能力較突出，框架模型中頂端節(jié)點(diǎn)的最大位移△μ=45mm，隨之可計(jì)算出延性系數(shù)μ△u=3.10。

2.4 框架滯回耗能分析

本模型判斷框架結(jié)構(gòu)的滯回性能由以下幾個(gè)參數(shù)來(lái)說(shuō)明，其中計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

在進(jìn)行試驗(yàn)的過(guò)程中，整體試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膹?qiáng)度產(chǎn)生了一定的退化。強(qiáng)度退化一般來(lái)說(shuō)是指在施加周期載荷時(shí)，整體框架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度會(huì)被周期載荷施加的次數(shù)所影響。本模型使用的位移—荷載加載模式會(huì)造成結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的退化，其根本原因是結(jié)構(gòu)發(fā)生屈服之后，所進(jìn)入的彈塑性階段以及加載過(guò)程中累計(jì)的損傷。鋼管與內(nèi)填混凝土并不是完全一體的，它們之間會(huì)發(fā)生黏結(jié)滑移現(xiàn)象，當(dāng)屈服之后粘結(jié)應(yīng)力降低，結(jié)構(gòu)剛度就會(huì)隨之下降，由于混凝土是處于鋼管內(nèi)壁的，同時(shí)抑制了混凝土的變化，也阻礙了混凝土的破壞，從而減緩了框架結(jié)構(gòu)剛度與強(qiáng)度的退化速度，也說(shuō)明了方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)于通常的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

表2 位移與等效粘滯阻尼系數(shù)、功比系數(shù)測(cè)試

3 框架數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 數(shù)值建模模擬分析

本文采用ANSYS 有限元數(shù)值模擬分析軟件對(duì)于框架模型在10 種不同參數(shù)（軸壓比、鋼筋套筒位置、連接方式）下的情況進(jìn)行了建模，并加以分析，判斷出這些參數(shù)的變化對(duì)框架滯回性能的影響。兩個(gè)梁?jiǎn)卧糠质褂肅30 混凝土，方鋼管混凝土柱中的混凝土使用C40 混凝土，混凝土部分使用solid65 實(shí)體單元模擬；主要鋼筋使用HRB400 鋼筋，箍筋部分使用HPB300 鋼筋，鋼材部分定義為Q235 鋼并使用solid185 單元與link180 單元模擬；最后再分別將泊松比與彈性模量具體數(shù)值定義進(jìn)去。

為了與實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程吻合，本文在添加邊界條件時(shí)，在節(jié)點(diǎn)方面，在方鋼管柱頂端面上施加X(jué) 向與Z 向的固定約束，底端對(duì)UX、UY、UZ 進(jìn)行約束。在柱頂部添加固定軸力F1，并在頂梁端通過(guò)PREP7 命令插入往復(fù)載荷；對(duì)于整體框架部分，將底梁剛度設(shè)置為1000 倍，約束三向位移，頂部設(shè)置往復(fù)載荷與上部相同。在模擬過(guò)程中，中間節(jié)點(diǎn)采用兩端反對(duì)稱位移—荷載加載，邊節(jié)點(diǎn)采用與試驗(yàn)相同的往復(fù)荷載-位移加載法。

3.2 骨架曲線

骨架曲線是在載荷-位移控制法里所形成的滯回曲線里所有的控制載荷或者位移里的第一個(gè)最大值點(diǎn)所結(jié)合而成的曲線，即是每一次循環(huán)過(guò)程中往復(fù)荷載最大值的變化曲線。能充分反映加載節(jié)點(diǎn)在不同荷載變形階段下的強(qiáng)度、剛度、耗能能力以及延性等特征，如圖3、圖4、圖5 所示。

在有限元模擬計(jì)算中，實(shí)際鋼筋、鋼管與混凝土之間都會(huì)產(chǎn)生粘結(jié)滑移現(xiàn)象，施加荷載時(shí)也不能把控的特別精確，ANSYS 里各種材料本構(gòu)關(guān)系與實(shí)際所使用的構(gòu)件也會(huì)有差別，所以導(dǎo)致骨架曲線未計(jì)算到下降階段，并由此可以觀察到軸壓比是模型框架曲線的一個(gè)重要影響因素。

圖3 模型節(jié)點(diǎn)與軸壓比變化時(shí)

圖4 模型節(jié)點(diǎn)與鋼筋套筒位置變化時(shí)

圖5 有限元模擬結(jié)構(gòu)整體骨架曲線

4 結(jié)語(yǔ)

由此次進(jìn)行的高延性纖維混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)施加周期性載荷試驗(yàn)與ANSYS 有限元建模分析，從結(jié)構(gòu)模型的屈服表現(xiàn)、損壞原理、滯回性能、位移延性、強(qiáng)度退化與耗能能力幾個(gè)方面的性能進(jìn)行綜合研究，得到以下結(jié)論和建議：

（1）高延性纖維混凝土柱—鋼筋混凝土梁結(jié)構(gòu)模型在周期荷載的作用中，其承載能力與傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比更強(qiáng)，抵抗變形的能力也更出色。

（2）整體結(jié)構(gòu)模型的P-△滯回曲線表現(xiàn)得較為飽滿，沒(méi)有突出的“捏攏效應(yīng)”，表明框架延性和耗能能力較好；在周期往復(fù)荷載的作用下，結(jié)構(gòu)模型的剛度因?yàn)橹芷诖螖?shù)的增長(zhǎng)而降低，結(jié)構(gòu)模型的強(qiáng)度與位移的循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系不明顯。位移循環(huán)次數(shù)與切線剛度成正比，與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度成反比。

（3）在本次試驗(yàn)條件下，以及結(jié)合有限元建模分析，得出軸壓比對(duì)結(jié)構(gòu)滯回性能影響較大，套筒位置對(duì)結(jié)構(gòu)滯回性能影響較小，連接方式也不是影響結(jié)構(gòu)滯回性能的關(guān)鍵因素。