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不同约束条件下压弯柱滞回性能比较分析.pdf

不同约束条件下压弯柱滞回性能比较分析

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2013-04-23 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《不同约束条件下压弯柱滞回性能比较分析pdf》,可适用于经济金融领域

收稿日期:作者简介:王海生(),男,工学博士,主要研究方向为钢骨混凝土结构Email:wanghssinacom陈以一(),男,教授,博士生导师,工学博士,主要研究方向为钢结构Email:yiyichentongjieducn不同约束条件下压弯柱滞回性能比较分析王海生,陈以一,,赵宪忠,胡敬礼(同济大学建筑工程系,上海同济大学土木工程防灾国家重点实验室,上海)摘要:对结构构件滞回性能试验中不同约束条件的等效性进行研究以个型钢混凝土柱的拟静力试验为考察对象,其边界约束条件分别为两端固支与两端铰支,对比了试件骨架曲线形状、控制点以及滞回曲线特征,并结合力学模型进行数值分析研究表明,不同约束条件对试件的承载力以及相对变形影响不大,但约束条件非理想化对试件的初始刚度、骨架曲线形状以及耗能能力有一定的影响关键词:滞回特性型钢混凝土柱边界约束条件试验模型中图分类号:TU      文献标识码:A    文章编号:X()ComparativeStudyofBoundaryConditionEffectsonHystereticCharacteristicsofColumnsinCyclicLoadingTestWANGHaisheng,CHENYiyi,,ZHAOXianzhong,HUJingli(DepartmentofBuildingEngineering,TongjiUniversity,Shanghai,ChinaStateKeyLaboratoryforDisasterReductioninCivilEngineering,TongjiUniversity,Shanghai,China)Abstract:CyclicloadingtestsonstructuralmembersarecarriedoutondifferentboundaryconditionsTheequivalenceoftheboundaryconditionisdiscussedbyanalyzingtheresultsofsteelreinforcedconcrete(SRC)columnssubjecttocyclicloadings,whicharerespectivelyfixedattwoendsorpinrestrainedattwoendsAcomparativestudyismadeontheskeletoncurves,keypointsandcharacteristicsofhystereticcurvesofspecimensondifferentboundaryconditionsBasedonthenumericalanalysisofthemechanicalmodel,thephenomenaoftestresultsareexplainedThestudyshowsthatboundaryconditionhasnoevidenteffectontheultimatesanddeformationcapacity,howevernonidealboundaryrestrainthascertaininfluenceontheinitialstiffness,shapeoftheskeletoncurveandenergydissipationcapacityKeywords:hystereticcharacteristicssteelreinforcedconcrete(SRC)columnboundaryconditiontestmodel  结构模型抗震试验是研究结构抗震性能以及发展结构抗震理论的重要手段通过结构模型试验评价结构的抗震性能,首先要进行模型试件设计,即根据原型结构,按照相似原理,得到其模型试件当模型试件为某一单个构件(比如梁、柱、节点等)时,那么对于同一原型结构可以选取几种不同约束条件的模型试件例如当原型结构为一框架梁时,可以选取种不同的模型试件,如图所示,其中图a为悬臂试件,图b为两端铰支试件,图c为一端固支、另外一端滑动支座的试件,图d为两端固支试件图中P为横向力,L为构件长度种模型试件主要差别在于支座约束条件不同,那么以下两方面的研究具有重要意义:①对比分析各种模型试件的试验结果对不同约束条件下(同一原型结构)所得到的试验结果进行比较分析,即进行如图所示的种不同的模型抗震试验,每一种模型试验都会第卷第期年月同济大学学报(自然科学版)JOURNALOFTONGJIUNIVERSITY(NATURALSCIENCE)VolNo Dec得到一组模型试件的强度、刚度、变形能力和滞回环形状②研究并评价约束的非理想化引起的误差的影响由于加载装置不可能达到理想的约束条件,由此会对试验结果产生的影响如采用如图b所示的两端铰支模型,在实际试验过程中,很难做到铰支座无摩擦地自由转动,所以会引起一定的端弯矩,即铰支座存在附加弯矩,则分析附加弯矩对试验结果的影响十分必要,尽管大多数试验都忽略此影响,但是没有给出理由图 种不同约束条件试件模型Fig Modelofdifferentboundaryconditions笔者通过试验以及有限元数值分析分别对以上两个问题进行了初步探讨首先,针对同一原型结构构件(钢骨混凝土柱),选取种不同约束条件的模型试件进行试验,对两种试件的试验结果进行对比分析然后运用有限元分析软件,模拟各种非理想约束条件,分析并评价约束的非理想化引起的误差 试验设计 试验模型的选取试验的原型结构为图所示的框架中柱(钢骨混凝土柱),可以选取种不同的模型:①整柱模型(图左),即取上下楼层之间的整个柱体,上、下柱端均为楼层平面,上、下柱端的边界条件均为固支②半柱模型(图右),即取上、下楼层之间的半柱,下柱端为楼层平面,上柱端为柱子的反弯点位置(假设柱子的反弯点位于层间柱的中点),下柱端的边界条件为固支,上柱端为自由端图 试验模型选取示意图Fig Testmodelchoicemethods 模型试件设计试件设计过程中考虑了几何相似、材料相似以及物理条件相似等相似条件,以期尽可能反映原型结构的性能试件一共个,分为组,试件分组以及截面尺寸如表所示试件截面尺寸如图所示,其中半柱模型(图b)外围截面尺寸与整柱模型(图a)外围截面尺寸比例为∶,截面刚度之比为∶表 试件参数Tab Informationofspecimen试件试件编号轴压比试件尺寸高×宽mm钢骨面积mm含钢率纵筋面积mm配筋率混凝土面积mm钢骨材性(N·mm)屈服强度抗拉强度伸长率整柱模型SFⅠSFⅡ×半柱模型SPⅣSPⅢSPⅢ×  种截面具有以下共同特征:①钢骨截面为多箱体②钢骨布置舒展(长边方向)③试件截面内部留有空腔④纵向钢筋布置位置相似⑤箍筋配箍率相同,箍筋布置形式相似整柱模型试件截面的钢骨和混凝土部分的刚度之比为ESASECAC=,ESISECIC=(长边方向)半柱模型试件截面的钢骨和混凝土部分的刚度之比为ESASECAC=,ESISECIC=(长边方向),其中E为弹性模量A为面积I为惯性矩下标S,C分别代表钢骨和混凝土下标,分 第期王海生,等:不同约束条件下压弯柱滞回性能比较分析  别代表整柱与半柱模型钢骨材性见表,纵向钢筋材性相同混凝土强度指标如表所示对比种截面参数、材料材性可以知道种试件截面相似,试验结果具有可比性图 试件截面尺寸(单位:mm)Fig Dimensionofspecimen(unit:mm)表 混凝土强度指标Tab Strengthofconcrete试件编号SFⅠSFⅡSPⅣSPⅢSPⅢ混凝土强度(N·mm) 加载装置设计与加载制度 加载装置整柱模型的试件两端固支,中间为加载刚性段,刚性段左右两边分别对称布置试验段加载示意图如图a,试件水平放置,试件中部刚性段施加竖向荷载,轴压力通过水平放置的千斤顶施加试件两端柱墩通过夹持装置实现刚性连接(夹持装置的转动刚度远大于试件的转动刚度,可以近似认为固支),夹持装置与试件柱墩上下接触面之间放置摩擦系数很小的不锈钢板(弹性模量很大)来实现水平方向自由滑动,两端的夹持装置主要是为了约束柱墩的平面内转动以及竖向位移考虑到加载刚性段的抗弯刚度远大于试件段的抗弯刚度(两者刚度之比大于∶),加载刚性段可看作一刚性梁,试件在横向荷载作用下的变形(图a)相当于个整柱段(图)的变形,此时加载头长度不影响对两端固支的试件的滞回性能的评估即每个试验段为一整柱模型,一个试件包含个整柱模型,图中P与P′为跨中横向力,大小相等方向相反a,b,L为长度M为弯矩图a中M=PL或M=P′L半柱模型的试件两端铰支,中间为加载刚性段,刚性段左右两边分别对称布置试验段加载示意图如图b所示,试件水平放置,试件中部刚性段施加竖向荷载,轴压力通过水平放置的千斤顶施加全铰转动由内转轴(试件柱墩部分)与外套轴(阴影部分)之间的无间隙装配、并在二者之间涂抹润滑油来实现(两者之间摩擦力很小,可近似认为铰支),试件端部的转动中心位于轴压力力线上,可安全实现有轴力作用下的全铰转动全铰构造的外套轴通过双层不锈钢板被柱头压梁夹持,可实现反复加载,且不影响水平千斤顶对试件施加轴压力夹持装置与试件柱墩上下接触面之间放置摩擦系数很小的不锈钢板(弹性模量很大)来实现水平方向自由滑动考虑到加载刚性段的抗弯刚度远大于试件段的抗弯刚度(两者刚度之比大于∶),加载刚性段可看作一刚性梁,试件在横向荷载作用下的变形(图b)相当于个半柱段(图)的变形,此时加载刚性段长度将不影响对两端铰支的试件的滞回性能的评估即每个试验段为一半柱模型,一个试件包含个半柱模型图b中M=P(La)或M=P′(La)图 加载示意图以及变形图Fig Sketchmapoftestsetupanddeformation 加载制度组试件均采用荷载与位移混合控制的加载方法,加载制度基本相似对构件首先施加轴向荷载至预定值,在保持轴向荷载稳定的同时,施加竖向荷载在相当于试件受纯弯作用时的钢骨边缘(试验段靠近中间加载刚性段处截面)首次屈服之前,采用荷   同济大学学报(自然科学版)第卷 载控制加载方法,荷载分级施加其后,采用位移控制加载方法 试验结果分析 滞回曲线图给出了所有试件的滞回曲线,其中纵坐标为试件跨中横向力P(即竖向荷载),横坐标为对应的横向位移Δ构件在周期性荷载作用下的典型滞回环一般有种基本形态:①为纺锤形(梭形)②为弓形③为反S形④为Z形,对比组试件的滞回曲线可以看出,组试件曲线基本形状相似,均为纺锤形,而且两者的典型滞回环形状一直没有发生变化,直到试件破坏均为纺锤形,由此可以说明无论是固支试件还是铰支试件都有很好的抗震性能同时可以发现铰支试件的滞回曲线要比固支试件更为饱满图 试件滞回曲线Fig Hystericcurvesofspecimen 骨架曲线图、图分别给出了固支与铰支试件滞回曲线的骨架曲线由于试件截面尺寸、长度以及边界条件不同,导致固支试件骨架曲线与铰支试件骨架曲线无法直接进行比较,所以对组曲线分别进行量纲为一化整理并绘图于同一坐标系,如图,其中纵坐标为试件跨中的横向荷载,横坐标为试件跨中相对位移,固支试件为ΔL,铰支试件为Δ(La)用试件承载力的理论计算值P作基准量,M为试件截面理论抗弯承载力,对于固支试件P=ML对于铰支试件P=M(La)表给出了量纲为一化后的试验结果其中相对初始刚度为量纲为一化后取相对荷载为时荷载与其所对应的相对变形的比值相对极限荷载为取量纲为一化后骨架曲线荷载最大值相对极限变形为取量纲为一化后骨架曲线位移最大值图给出了所有试件在相对变形为时的典型滞回环,此时试件早已屈服,进入塑性发展阶段图 固支试件骨架曲线Fig Skeletoncurvesofspecimenoffirstgroup图 铰支试件骨架曲线Fig Skeletoncurvesofspecimenofsecondgroup图 量纲为一化的骨架曲线Fig Skeletoncurvesofspecimen 第期王海生,等:不同约束条件下压弯柱滞回性能比较分析  表 试验结果对比Tab Comparisonoftestresults试件编号相对初始刚度相对极限荷载相对极限变形SFⅠSFⅡSPⅣSPⅢSPⅢ图 典型滞回环比较Fig Comparisonoftypicalhysterichoopsofspecimen对比组试件试验结果发现,组试件的相对极限荷载与相对极限变形差别不大,但是相对初始刚度差别比较大对比固支、铰支试件无量纲化后的骨架曲线,可以看出组试件有以下区别:①两者骨架曲线的初始刚度不同,铰支试件的初始刚度明显大于固支试件②两者骨架曲线的走势不同,对于固支的个试件,荷载一直在缓慢增长,直到最后破坏,没有明显的转折点但对于铰支的个试件,当荷载到达一定数值,曲线发生明显转折,有明显的转折点,之后荷载变化不大,位移不断增大究其原因,对于情况①,由于铰支试件自由转动端基本上实现了铰支条件,但是固支试件两柱端的固定端在加载初期没有完全实现固支条件,导致在加载初期固支试件两柱端有一定转角,试件的刚度有所降低对于情况②,由于铰支试件两端基本实现完全铰支,所以加载处左、右两截面弯矩相等且为试件弯矩最大截面,如图b所示,当试件屈服时,试件加载处左右两端截面同时达到屈服荷载,即同时屈服,所以其骨架曲线有明显的屈服点,其后位移不断增加,但是荷载不再明显增加对于固支试件,理论上试件有个截面弯矩相等且为试件最大弯矩截面,如图a所示,个截面应该同时达到屈服荷载,即同时屈服,但是由于两柱端固支条件在加载初期没有完全实现,导致加载处左右两端截面弯矩明显大于两柱端处截面的弯矩,即中间加载端左右两边截面首先达到屈服(此时的荷载小于理论上个截面同时达到屈服时的荷载值),而此时两柱端处截面还没有屈服,位移不断增加,荷载也继续增加,直到两柱端处截面屈服,所以其荷载位移曲线没有明显的转折点由此可以得出结论,加载初期边界条件的非理想化对试件的初始刚度影响比较大,但是对极限荷载以及极限位移影响不大对比组试件量纲为一化后的滞回环可以发现,铰支试件的典型滞回环较固支试件典型滞回环饱满,由此可知,铰支试件的耗能能力要优于固支试件 边界条件非理想化有限元分析采用有限元分析软件Abaqus对约束非理想化引起的误差进行计算分析,分析时采用ElementB单元材料采用Q钢材,钢材应力应变关系采用双折线模型,强化段斜率取弹性模量为,屈服强度采用第组铰支试件钢骨的材性试验数据建立两端铰支的矩形钢梁的有限元模型,跨中有一集中荷载P,两端承受弯矩M,如图所示其中M=αPl式中:α为刚度系数l为构件长度图 有限元模型Fig Modeloffiniteelementanalysis通过改变α值模拟改变梁的边界条件对于文中所提及的个固支试验,由于其试件两端的夹持装置不是绝对刚性(图a所示),很难实现理想固支,只能视为近似固支,所以其刚度系数α应接近且小于同理对于另外个铰支试验,由于内转轴与外套轴之间有微小的摩擦力,很难实现理想铰支,所以其刚度系数α应接近且大于当α趋向于时,边界条件趋向于固支当α趋向于时,边界条件趋向于铰支即当α=时,边界条件为理想固支,即可将钢梁视为一根两端固支的梁当α=时,边界条件为理想铰支,即可将构件视为一根简支梁根据试验,给出了实际试验过程中可能出现的种边界条件(种工况),如表所示,有限元分析所得荷载位移曲线如图所示表中P′为理想边界条件下的极限荷载,对于固支边界条件P′为   同济大学学报(自然科学版)第卷 kN,对于铰支边界条件P′为kN其中对于工况~,加载过程中α恒定,不随荷载变化对于工况,α随荷载增加而增加,初始值为,在构件屈服时α增大至,此后随荷载的增加α恒定为,即工况模拟的边界条件为加载初期不是理想固支,随着荷载变形的增大,最终边界条件转变为理想固支的情况表 有限元分析结果Tab AnalysisresultsofFEA(finiteelementanalysis)近似边界条件工况α极限荷载PukNPuP′固支铰支~图 有限元分析荷载位移曲线Fig Loadanddisplacementcurvesoffiniteelementanalysis有限元分析结果显示:()对比所有工况,构件的极限荷载随刚度系数α的减小而减小()对比工况和工况,可以发现,构件的极限承载力只与刚度系数α最终值的大小有关,与初始值无关()采用固支边界条件考察构件的极限承载力,当实际试验的边界条件没有实现理想固支时,所得出的承载力小于其实际承载力,是偏安全的如果采用铰支边界条件,情况则相反()由表可以知道,所有工况的极限荷载与其对应的理想边界条件的极限荷载是比较接近的,其比值均大于,可供工程参考 结论()试验结果表明,结构模型试验的不同约束条件对试件的承载力以及相对变形影响不大,即可以选取任意一种约束条件的模型试件进行试验,研究构件的承载力以及相对变形()对于本试验,组试件在初始刚度、骨架曲线形状以及耗能能力方面有所差异,主要是由于约束条件非理想化引起的()有限元计算结果表明,约束非理想化对构件的承载力有一定的影响,但是在一定条件下(如在铰支条件下α<,或者在固支条件下α>)对承载力影响不明显,即此时的试验结果可以用于评价构件的实际承载力参考文献: 朱伯龙结构抗震试验M北京:地震出版社,ZHUBolongEarthquakeresistancetestofstructuresMBeijing:SeismologyPress, 沈在康混凝土结构的试验方法M北京:中国建筑科学研究院,SHENZaikangThetestmethodofreinforcedconcretestructureMBeijing:ChinaAcademyofBuildingResearch, 沈聚敏,周锡元,高小旺,等抗震工程学M北京:中国建筑工业出版社,SHENJumin,ZHOUXiyuan,GAOXiaowang,etalAseismicengineeringMBeijing:ChinaArchitectureBuildingPress, 王传志,腾智明钢筋混凝土结构理论M北京:中国建筑工业出版社,WANGChuanzhi,TENGZhimingThetheoryofreinforcedconcretestructureMBeijing:ChinaArchitectureBuildingPress, 李俊华,薛建阳,赵鸿铁型钢高强混凝土柱抗震性能的试验研究J世界地震工程,,():LIJunhua,XUEJianyang,ZHAOHongtieExperimentalstudyontheseismicperformanceofsteelreinforcedhighstrengthconcretecolumnsJWorldEarthquakeEngineering,,(): 贾金青,姜芮,厚童钢骨超高强混凝土框架柱抗震性能的试验研究J土木工程学报,,():JIAJinqing,JIANGRui,HOUTongAnexperimentalstudyontheseismicperformanceofsteelreinforcedsuperhighstrengthconcretecolumnsJChinaCivilEngineeringJournal,,(): 第期王海生,等:不同约束条件下压弯柱滞回性能比较分析  

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