钢管混凝土建筑物抗震性能评估方法及应用.pdf

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明技术方案进一步说明。

如图1所示，本发明的具体实施方式：提供一种钢管混凝土建筑物抗震性能评估方法，所述建筑物支撑构件由钢管混凝土形成，包括如下步骤：

步骤100：建立钢管混凝土建筑物的空间纤维梁有限元模型：首先，将建筑物中钢管混凝土部分的钢管和混凝土都采用梁单元建模，即建立杆系和壳模型，而杆系和壳模型是将梁柱简化为梁单元，将楼板等简化为壳单元。然后，根据钢管混凝土的几何尺寸设置钢管和混凝土的截面，根据建筑物的空间位置将钢管和混凝土单元在有限元模型中进行组装，引入并赋予建筑物模型中钢管的本构模型和混凝土的本构模型，所述本构模型采用考虑套箍作用和地震循环荷载下材料特性的纤维弹塑性损伤模型，设置各个钢管混凝土构件中钢材和混凝土的藕合条件，通过在有限元软件上进行开发引入。

具体而言，如图2所示，本发明钢材的本构模型中，取钢材单轴滞回本构模型来建立钢管混凝土中的钢材本构关系。开发的钢材模型为Menegotto-Pinto边界面模型，可以考虑钢材等向强化，同时可以考虑滞回加载过程中的包辛格效应。

图2中，在本模型中，受拉为正，受压为负，需要定义的参数有10个：屈服强度f_y；初始弹性模型E₀；强化比例系数b＝E_t/E₀；初始弹塑性转化控制参数R₀，取值一般大于15，没有特别需求通常取20；弹塑性转化控制参数计算公式中的系数a₁和a₂，没有特别需求通常a₁＝0.925，a₂＝0.15；受压强化计算系数A₁，A₂，如果不考虑强化，通常A₁＝0，A₂＝1；受拉强化计算系数A₃，A₄，如果不考虑强化，通常A₃＝0，A₃＝1。

由图2的滞回过程中的应力-应变关系可知，在正反加载的过程中，应力-应变的关系主要由两个点控制，第i次起始点应变应力R_i(ε_r，σ_r)和转折点应变应力O_i(ε₀，σ₀)，i为模型循环的次数，i＝1时，R₁(ε_r，σ_r)为图形的原点，O₁(ε₀，σ₀)中的σ₀＝f_y，其中，f_y表示屈服强度。受拉曲线对应的曲线方程如下：

σ*=bϵ*+(1-b)ϵ*(1+ϵ*R)1/R---(1)]]>

其中，σ*=σ-σrσ0-σr;]]>ϵ*=ϵ-ϵrϵ0-ϵr;]]>R=R0-a1ξ(i)a2+ξ(i).]]>

其中，ε表示应变，σ表示应力，R_i(ε_r，σ_r)表示第i次起始点应变应力：a₁、a₂为弹塑性转化控制参数，没有特别需求通常a₁＝0.925，a₂＝0.15；b＝E_t/E₀，b表示强化比例系数。

ξ(i)为i次曲线转折点和历史最大受压(或受拉)点的水平距离，当曲线有压转向为拉时，为历史最大受拉点，当曲线受拉转向为受压时，为历史最大受压点；初始最大受压点和受拉点位对应屈服点，并且ξ(1)＝0。

强化准则：

受压等向强化时，受压屈服强度修正系数为k_c，则强化后的受压屈服强度为：f′_yc＝k_cf_y

受拉等向强化时，受拉屈服应力修正系数为k_t，则强化后的受拉屈服强度为：f′_yt＝k_tf_y

其中，ε_max，ε_min分别为历史最大应变和最小应变，f′_yc，f′_yt分别为强化后的受压屈服强度和受拉屈服强度。

考虑紧箍作用的约束混凝土本构模型：

如图3所示，对于空心钢管混凝土中的混凝土本构关系采用modified Kent-Park model模型。在本模型中，受拉为正，受压为负，需要定义的参数有7个：受压峰值应力应变坐标：(ε_cc，f_cc)，受压压碎处应力应变坐标：(ε_cu，f_cu)，压碎处弹性模拟的损失系数：α。受拉极限：f_t，受拉软化阶段模量：E_t。

考虑紧箍作用的约束混凝土本构模型的公式描述：

设材料初始受压弹性模量受拉峰值应变受拉极限应变为ϵut=ftEt+ftE0.]]>

考虑紧箍作用的约束混凝土本构模型包络曲线公式为：

受拉时：ϵ≥ϵut,σ=0.0ϵt≤ϵ≤ϵut,σ=-Et(ϵ-ϵut)0≤ϵ≤ϵt,σ=E0ϵ---(2)]]>

受压时，ϵcc≤ϵ≤0,σ=fcc[2(ϵϵcc)-(ϵϵcc)2]ϵcu≤ϵ≤ϵcc,σ=fcc-fcuϵcc-ϵcu(ϵ-ϵcc)+fccϵ≥ϵcu,σ=fcu---(3)]]>

如图3所示，滞回过程规则：受拉区为线性回到原点；

受压区：再次加载曲线3为过点R，斜率为E的直线，其中，点P为过原点斜率为E₀直线和过压碎点斜率为αE₀直线的交点。斜率E根据包络线上点(σ_c，ε_c)和R点来确定。卸载曲线1为过点(σ_c，ε_c)斜率为E₀的直线，曲线2为过曲线1和×轴交点，斜率为E/2的直线。

对于钢管混凝土结构，需要考虑套箍作用，根据K.A.S.Susantha的模型，对应7个参数的取值规则如下：

考虑套管作用的混凝土(即约束混凝土)受压极值点为(ε_cc，f_cc)，计算公式如下：

f_cc＝f_c+mf_rp

ϵcc=ϵc[1+5(fccfc-1)]---(4)]]>

其中，f_cc表示约束混凝土的抗压强度；

ε_cc表示约束混凝土的抗压强度对应的应变；

f_c表示混凝土的棱柱体抗压强度；

ε_c表示混凝土强度对应的应变；

m表示经验系数，取m＝4；

f_rp表示径向最大侧压力，对于多变形为等效最大侧压力，取值如下：

对于圆形截面：

frp=(ve-vs)2tD-2tfy---(5)]]>

其中，v_e表示有混凝土填充时的钢管泊松比，取值如下。

ve=0.2312+0.3582ve′-0.1524(fcfy)+4.843ve′(fcfy)-9.169(fcfy)2---(6)]]>

ve′=0.881×10-6(Dt)3-2.58×10-4(Dt)2+1.953×10-2(Dt)+0.4011]]>

其中：v_s表示无混凝土填充时的钢管泊松比，钢管屈服时，v_s＝0.5；

D表示钢管的外直径；

t表示钢管的壁厚；

f_y表示钢材的屈服强度。

对于四边形和八边形截面：

四边形：

frp=-6.5R(fc)1.46fy+0.12(fc)1.03---(7)]]>

八边形：

frp=-35.0R(fc)1.35fy+0.22(fc)1.02---(8)]]>

其中，R表示钢管宽厚比参数，取值如下；

R=bt12(1-v2)4π2fyEs]]>

f_c表示混凝土的棱柱体抗压强度；

f_y表示钢材的屈服强度；

b表示多边形钢管一条边的长度；

t表示钢管的壁厚；

v表示钢材的泊松比，可取，v＝0.3；

E_s表示钢材的弹性模量；可取，E_s＝2.06×10⁵MPa。

考虑套管作用的混凝土(约束混凝土)压碎点(ε_cu，f_cu)，计算公式如下：

f_cu＝f_cc-Z(ε_cu-ε_cc)                      (9)

其中，f_cc表示约束混凝土的抗压强度；

ε_cc表示约束混凝土的抗压强度对应的应变；

f_cu表示约束混凝土的压碎处的强度；

ε_cu表示混凝土强度对应的应变；

Z表示混凝土本构下降段的切线模型，即斜率的绝对值。

对于圆形截面，Z的计算公式为：

Z=0,Rt(fcfy)≤0.0061×105Rt(fcfy)-600,Rt(fcfy)≥0.006,fy≤283MPa(fy283)13.4[1×105Rt(fcfy)-600],Rt(fcfy)≥0.006,283MPa≤fy≤336MPa1×106Rt(fcfy)-6000,Rt(fcfy)≥0.006,fy≥336MPa---(10)]]>

ε_cu＝0.025

其中，R_t表示钢管径厚比参数，取值如下；

Rt=3(1-v2)fyEsD2t]]>

f_y表示钢材的屈服强度；

f_c表示混凝土的棱柱体抗压强度；

D表示圆钢管的直径；

t表示钢管的壁厚；

v表示钢材的泊松比，可取，v＝0.3；

E_s表示钢材的弹性模量；可取，E_s＝2.06×10⁵MPa。

对于四边形，Z的计算公式为：

Z=0,R(fcfy)≤0.003923400R(fcfy)-91.26,R(fcfy)>0.0039]]>

ϵcu=0.04,R(fcfy)≤0.04214.5[R(fcfy)]2-2.4R(fcfy)+0.116,0.042<R(fcfy)<0.0730.018,R(fcfy)≥0.073---(11)]]>

其中，R表示钢管宽厚比参数，取值见上面公式；

f_c表示混凝土的棱柱体抗压强度；

f_y表示钢材的屈服强度。

限制条件和说明：即f_cu只能在受压区。

对于八边形，Z的计算公式为：

Z=0,R(fcfy)≤0.0182.85×104R(fcfy)-513,R(fcfy)>0.018]]>

ϵcu=0.035,R(fcfy)≤0.03-0.566R(fcfy)+0.052,R(fcfy)>0.03---(12)]]>

其中，R表示钢管宽厚比参数，取值见上面公式；

f_c表示混凝土的棱柱体抗压强度；

f_y表示钢材的屈服强度。

限制条件和说明：即f_cu只能在受压区。

通过上面的公式已经可以确定4个参数，另外3个参数分别为：压碎处弹性模拟的损失系数：α。受拉极限：f_t，受拉软化阶段模量：E_t。由于受拉部分影响较小，所以可以取f_t＝f_cc/10，E_t＝E₀/10，或是更小的值。α的取值为0＜α≤1，可以根据实际情况调整，通常取0.1。

在引入并赋予建筑物模型中钢管的本构模型和混凝土的本构模型，通过设置各个钢管混凝土构件中钢材和混凝土的藕合条件，所述本构模型采用考虑套箍作用和地震循环荷载下材料特性的纤维弹塑性损伤模型即建立起来了。

本发明的优选实施方式是，在本步骤中，还包括在建筑物钢管混凝土柱与梁连接节点处建立连接器单元，在节点处设置局部坐标使连接器单元符合钢管混凝土建筑物的实际工作情况。这里所述局部坐标是指对连接器单元设定坐标方向，使连接器单元与节点实际工作时的转动方向一致。

其次，在构建了材料模型之后，再构建钢管混凝土建筑物的几何模型。包括：根据钢管混凝土的几何尺寸设置钢管和混凝土的截面，然后再根据建筑物的空间位置将钢管和混凝土单元在有限元模型中进行组装。

步骤200：采用软件对所述有限元模型进行计算，即：设定建筑物模型结构的边界条件并施加地震作用进行动力弹性时程分析和弹塑性时程分析，对于动力弹性时程分析，钢材的本构模型只取相关的弹性部分，即，钢材塑性强化系数取1，即公式(1)中，R＝1)，对于弹塑性时程分析，钢材的本构模型中，公式(1)中由此，再根据动力里程分析方法获取建筑物在地震激励下的变形情况，动力时程分析法的基本动力方程：

[M]{x··}+[C]{x·}+[K]{x}=-[M]{z··}---(13)]]>

其中：[M]表示质量矩阵，一般采用集中质量阵，将单元的质量集中到节点上；

[C]表示阻尼矩阵；

[K]表示刚度矩阵，与静力分析时使用的刚度阵相同；

{x}表示位移；

表示发生位移变化的速度；

表示发生位移变化的加速度向量；

表示地面运动加速度向量。

根据动力里程分析方法获取建筑物在地震激励下每一个点的位移，从而得到每个点的最大层间位移角，位移除以层高得到层间位移角值。

本发明的具体实施方式为，采用在建模软件中，先设定建筑物模型结构的边界条件，建立的钢管和混凝土约束条件，本发明中，在节点处建立连接器单元，在节点处定义局部坐标使连接器单元符合实际工作情况。对于节点刚度的取值为了模拟节点半刚性特性，不会直接使用刚性连接，而是以欧洲钢结构规范中对节点半刚性的分类原则为准，即节点的初始刚度小于25倍的梁线刚度，即可认为节点为半刚性节点，再进行加载分析和地震分析。

步骤300：抗震性能评估，即：通过获取的建筑物最大层间位移角值，按照《建筑抗震设计规范》中对钢管混凝土结构要求的最大层间位移角限值要求评估建筑物的抗震性能。

我国《建筑抗震设计规范》GB 50011-2001中对不同结构在多遇地震和罕遇地震条件下的层间位移角作了要求，在多遇地震的条件产生的弹性层间位移角不得超过表1中的数值。

表1：抗震规范对弹性层间位移角的限值

在罕遇地震的条件下产生的弹塑性层间位移角不得超过表2中的数值。

表2：抗震规范对弹塑性层间位移角的限值

具体实施过程中，先选取支座处的节点施加约束，约束地震激励方向外的自由度。再定义荷载，所述施加荷载包括压力荷载及重力荷载。定义荷载时在梁上施加力，同时设置重力分析步和地震波分析步，重力分析步设置5秒，开始的1秒完成加载，后面的预留的时间是为了使结构的震荡逐渐减弱。最后，在地震波分析步中输入地震波，根据将获取的建筑物动力响应结果根据我国《建筑抗震设计规范》GB 50011-2001评估建筑物的抗震性能。

步骤400：设计建筑物的抗震措施，即：根据建筑物抗震性能的评估结果设计建筑物的抗震措施。

本发明的优选实施方式中，在建立钢管混凝土建筑物的有限元模型步骤中，定义建筑物模型中钢管和混凝土单元直接的约束条件为完全耦合。在采用软件对所述有限元模型进行计算步骤中，还包括对建筑物模型划分网格，设定阻力系数及计算时间。

本发明中，钢管混凝土建筑物抗震性能评估方法在采用钢管混凝土建筑物的民用建筑或工业建筑上的应用。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。