离心预制混凝土管组合柱抗震...有限元分析与恢复力模型研究_张锡治.pdf

第 53 卷 第 3 期2023 年 2 月上建 筑 结 构Building StructureVol.53 No.3Feb.2023 DOI:10.19701/j.jzjg.20201254国家自然科学基金资助项目(51578369),天津市科技计划资助项目(19YDLYSN00120)。第一作者:第一作者:张锡治,博士,研究员,博士生导师,主要从事结构抗震和新型装配式结构体系研究,Email:zhang_xz 。通信作者:通信作者:张天鹤,硕士,主要从事结构抗震和新型装配式结构体系研究,Email:JerryJK 。离心预制混凝土管组合柱抗震性能有限元分析与恢复力模型研究张锡治1,2,张天鹤3,章少华1,张玉鑫3,李星乾3(1 天津大学建筑设计规划研究总院有限公司,天津 300073;2 滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室(天津大学),天津 300072;3 天津大学建筑工程学院,天津 300072)摘要:基于离心预制混凝土组合柱抗震性能试验,采用 ABAQUS 软件对该类型组合柱在轴压及水平往复荷载作用下的受力性能进行了非线性有限元分析,研究了轴压比、预制管及芯部混凝土强度、体积配箍率和预制管空心率对柱承载力及变形能力的影响。并采用拟合法建立了适用于该类型组合柱的恢复力模型。研究结果表明:有限元结果与试验结果吻合较好,在轴压及水平往复荷载作用下,柱的破坏模式为压弯破坏,耗能能力较好。柱承载力随轴压比增加而提高,但变形能力降低,当轴压比超过临界值时,柱的受力状态转为小偏心受压,承载力降低;提高预制管或芯部混凝土强度可提高柱承载力,但会降低柱的变形性能;提高体积配箍率及降低预制管空心率可改善柱的变形能力,当空心率降低至 20%后,其影响可忽略。本文所建立的恢复力模型与试验结果吻合较好,能够较为准确地模拟该类型组合柱的滞回特性。关键词:离心预制混凝土管组合柱;抗震性能;参数分析;恢复力模型;破坏模式 中图分类号:TU375.3 文献标志码:A文章编号:1002-848X(2023)03-0052-12引用本文 张锡治,张天鹤,章少华,等.离心预制混凝土管组合柱抗震性能有限元分析与恢复力模型研究J.建筑结构,2023,53(3):52-63.ZHANG Xizhi,ZHANG Tianhe,ZHANG Shaohua,et al.Finite element analysis on seismic behavior and research on restoring force model of concrete-filled centrifugal precast concrete tube columnsJ.Building Structure,2023,53(3):52-63.Finite element analysis on seismic behavior and research on restoring force model of concrete-filled centrifugal precast concrete tube columns ZHANG Xizhi1,2,ZHANG Tianhe3,ZHANG Shaohua1,ZHANG Yuxin3,LI Xingqian3(1 Tianjin University Research Institute of Architectural Design and Urban Planning Co.,Ltd.,Tianjin 300073,China;2 Key Laborary of Coast Civil Structure Safety of the Ministry of Education(Tianjin University),Tianjin 300072,China;3 School of Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China)Abstract:Based on experimental on seismic behavior of concrete-filled centrifugal precast concrete tube columns,the nonlinear finite element analysis of mechanical behaviors of the columns under axial compression loads and lateral cyclic loads was carried out by using ABAQUS software.The influences of axial compression ratio,the strengths of the precast tube and core concrete,volume ratio of transverse stirrups and hollow ratio of the precast tube on the bearing and deformation capacity of the columns were studied.The restoring force model of the columns was established by fitting method.The results show that the results of finite element simulations are in good agreement with that of the test.The failure modes of the columns under axial compression and lateral cyclic loads are compressed-flexural failure,with a good energy dissipation performance.The bearing capacity of the columns is enhanced with the increase of axial compression ratio,while deformation capacity deteriorates,when axial compression ratio exceeds the limit value,the bearing capacity decreases because the stress state of the column changes to small eccentric compression.The bearing capacity can be enhanced by improving the strengths of the precast tube or core concrete,but it has a negative effect on the deformation capacity of the columns.Increasing the volume ratio of transverse stirrups and decreasing the hollow ratio of the precast tube can improve the deformation capacity of the columns,but when the hollow ratio is reduced to 20%,the effect can be neglected.The established restoring force model is in good agreement with the experimental results,which can accurately simulate the hysteretic behavior of this type of composite columns.Keywords:concrete-filled centrifugal precast concrete tube column;seismic behavior;parameter analysis;restoring force model;failure mode 第 53 卷 第 3 期 张锡治,等.离心预制混凝土管组合柱抗震性能有限元分析与恢复力模型研究0引言 与现浇混凝土框架结构相比,预制混凝土框架具有质量可控、施工便捷、建造周期短和减少施工污染等优点。但是,随着预制混凝土柱截面尺寸的增加,其自重增大,运输和吊装成本增加。为解决上述问题,预制混凝土组合柱作为一种新型的高性能预制柱受到国内外学者的广泛关注,该类型组合柱由中空的预制混凝土管和芯部后浇混凝土组成,其预制部分自重较普通预制混凝土实心柱可减小20%60%,有效降低了预制柱的运输和吊装成本。此外,预制混凝土管既是施工时芯部后浇混凝土的模板,也可作为施工时的支撑体系1。目前,国内外学者对预制混凝土组合柱的抗震性能进行了研究并取得一定的成果。Hosoya 等2研究了预制混凝土组合柱在高轴压比下的抗震性能,结果表明,该类型组合柱在初始刚度、极限承载力及极限转角等性能指标上与现浇混凝土柱相当,甚至更优;Kim 等3提出一种采用波纹钢板作为内模的预制混凝土组合柱,并进行了拟静力试验,结果表明,该类型组合柱的预制混凝土管及芯部混凝土协同工作性较好,其受力性能等于甚至优于现浇柱,但钢内模增加了构件的成本;Lim 等4提出一种预制混凝土管的分步旋转制法,并对使用该方法制作的预制混凝土组合柱进行了拟静力试验,结果表明其初始刚度和极限承载力与现浇混凝土柱相差不大,耗能能力稍有降低,但满足美国规范 ACI-318要求;Xiao 等5对芯部采用再生混凝土的预制混凝土组合柱进行了试验与数值模拟分析,结果表明,该类型组合柱的承载力大于预制混凝土管和芯部混凝土两者承载力之和,其受力特征和破坏形态与现浇柱相似;增田安彦等6对预制管采用高强混凝土的组合柱进行了拟静力试验,结果表明其承载力高于现浇柱,并提出了相应的承载力计算公式;刘志7对预制管采用活性粉末混凝土的组合柱进行了拟静力试验,结果表明,该类型组合柱的性能优于普通现浇柱,体积配箍率对其抗震性能影响较大;张建伟等8对预制高强混凝土组合柱进行了拟静力试验,结果表明,若组合柱内外混凝土接触界面无抗剪措施,其协同工作性较差,导致柱承载力及延性性能降低;丁红岩等9对预制混凝土组合柱进行了拟静力试验,结果表明该柱具有较好的延性与耗能能力,承载力略高于现浇柱。综上,目前研究大多集中于预制混凝土组合柱在反复荷载作用下的抗震性能试验,对其恢复力模型及数值模拟分析的研究则鲜见报道。本文基于已完成的离心预制混凝土组合柱(简称预制组合柱)抗震性能试验10,采用 ABAQUS 软件对预制组合柱在往复荷载作用下的受力性能进行了数值模拟分析,并研究了轴压比、预制管和芯部混凝土设计强度、体积配箍率及预制管空心率对该类型中长柱抗震性能的影响。最后,基于试验和有限元分析得到滞回曲线,采用拟合法建立了预制组合柱的恢复力模型,为预制组合柱在工程中的应用提供参考。1试验概况1.1 试件设计 设计并制作了 7 个预制组合柱试件,试件尺寸及构造如图 1 所示。各试件几何尺寸相同,截面尺寸为400mm400mm,预制管中空部分直径 280mm,空心率38.5%,长细比为 31.18。预制管纵筋及地梁箍筋、纵筋采用 HRB400 级热轧钢筋,预制管纵筋采用 8 根18mm 直径钢筋;箍筋为四边形连续螺旋箍筋,采用直径 5mm 的 HTH1 200H 级高强度热处理钢筋。试验主要变化参数为轴压比 n、芯部混凝土强度 fcu.f及体积配箍率 v,各试件变化参数见表 1。表中 N 为试验施