1、第 卷第期 青 岛 理 工 大 学 学 报 形方钢管混凝土组合异形柱弱轴抗震性能研究康寅，王培（青岛酒店管理职业技术学院 酒店工程学院，青岛 ；青岛理工大学 理学院，青岛 ）摘要：形方钢管组合异形柱建筑效果好、抗震性能强，目前已应用于汶川等高烈度区的灾后重建。但是当下对形方钢管组合异形柱抗震性能的研判多是基于其强轴的抗震性能，而对其弱轴的抗震性能研究较少。因此，通过对 个形方钢管组合异形柱 有限元模型的数值模拟，对其弱轴的抗震性能进行研究，得到其弱轴的破坏现象、极限层间位移角及延性系数的线性拟合公式。可为方钢管组合异形柱结构的推广及实际应用提供参考。关键词：形方钢管混凝土组合异形柱；弱轴抗震性
2、能；有限元分析；曲线拟合中图分类号：文献标志码：文章编号：（）收稿日期：基金项目：山东省自然科学基金资助项目（）作者简介：康寅（），女，山东招远人。硕士，讲师，主要从事结构工程方面的研究。：。，（，；，）：，：；青 岛理工大学学报第 卷近年来，异形柱结构以其独特的优势逐渐受到工程建设者的青睐。相较于框架结构，异形柱结构不露柱脚，不占用使用面积，建筑效果好；相较于剪力墙结构，异形柱结构柱肢短，造价低。但是由于异形柱的质心与刚心不重合，导致其抗扭刚度及抗震性能均低于规则方柱。我国规范对异形柱结构的最大适用高度有严格的限制，且在度（）及度区禁止使用异形柱结构，而这无疑对异形柱结构的推广产生了一定的影
3、响。为提高异形柱的抗震性能，参照钢管混凝土柱的设计思路，陈志华等将多个方钢管混凝土柱用连接钢板相连，设计出了一种形方钢管混凝土组合异形柱（柱），如图所示。轴压及压弯承载力试验证明：柱的破坏模式以绕弱轴的扭转失稳为主，其承载力与普通混凝土异形柱相比有较大提升。周婷对 柱试件施加 向（图）的低周反复作用，对其强轴的抗震性能进行了研究，试验证明：柱绕强轴方向的延性系数约为 ，具有较好的抗震性能。鉴于上述研究基础，陈志华等将方钢管混凝土组合异形柱框架结构应用于汶川渔子溪村的灾后重建，取得了良好的社会效益和建筑效果。图 柱示意综上所述，柱抗震性能良好，可用于工程实际。但这一研判多是基于其强轴的抗震性能，
4、相关的试验及有限元模拟也多是从向施加低周反复荷载。而形截面存在弱轴且地震波的来向具有不确定性，因此本文利用 有限元软件从向（图）对 柱施加低周反复荷载，对其弱轴的抗震性能进行了研究。试件设计选用常用建筑材料 混凝土及 钢材进行试件设计。如图所示，参考常用民居建筑的层高，取柱高为 ；为保证连接钢板的局部稳定，参考相关规范，在连接钢板的两侧对称设置横向加劲肋，外伸长度取为（），纵向间距取为 ，厚度与连接钢板相同，均为；为节约钢材降低造价，在连接钢板的中部开设圆洞，直径为 ，纵向间距为 。试验以柱肢厚度、方钢管壁厚及柱肢长厚比（）为变量设计试件，试件编号及相关参数如表所示。图试件示意第期康寅，等：形
5、方钢管混凝土组合异形柱弱轴抗震性能研究表试件构造尺寸试件编号试件编号 注：为柱肢厚；为长厚比，；为方钢管壁厚有限元参数设计及验证混凝土本构模型采用塑性损伤本构模型，弹性模量取验证试验的实测数据，其余参数参考相关试验 的有限元设置，如表所示。表塑性损伤本构模型参数弹性模量（）泊松比膨胀角（）偏心率 黏性参数 混凝土受压本构模型钢管中的混凝土在受压时处于四面约束的状态，与普通混凝土的受力状态并不相同，为模拟其应力应变特性，当应变 时，选用与李威 相近的本构模型；当应变 时，为使模拟结果中骨架曲线的下降段与验证试验相契合，经试算，选用线性下降的本构关系，如式（）所示。（）（）（）（）（）图混凝土受压
6、本构模型式中：；（）；（）（）；（）；，分别为单根钢管混凝土柱中钢材截面面积和混凝土截面面积；为混凝土圆柱体抗压强度；为钢材的屈服强度；为混凝土轴心抗压强度标准值。混凝土受压本构模型如图所示。青 岛理工大学学报第 卷混凝土受拉本构模型由于钢管与混凝土的接触面并不牢靠，受拉时可脱开，因此钢管围套对混凝土受拉本构模型的影响较小，可采用普通混凝土的受拉本构模型，如式（）所示。（）（）式中：；（）；为混凝土圆柱体抗拉强度。混凝土受拉本构模型如图所示。钢材本构模型钢材以金属材料力学性能试验的实测数据为基础，采用“三折线”本构模型模拟循环荷载下的应力应变关系，如图所示。图混凝土受拉本构模型图钢材本构模型图
7、加载制度加载制度有限元模拟采用与验证试验相同的加载制度。取向（图）为位移的正方向，取向的反向为位移的负方向，如图所示。在试件达到屈服位移之前，取级差为，每级荷载循环次；当试件达到屈服位移之后，取级差为，每级荷载循环次。有限元参数验证周婷以的缩尺比例设计了 柱试件，并利用低周往复试验对强轴向的抗震性能进行了研究。试件 柱高 ，柱肢长厚比为 ；单根钢管柱截面尺寸为 ，外包钢板厚度为，轴压比为 。采用上述有限元参数建立试件 的 有限元模型，并将计算结果与试验数据进行对比，如图和表所示：二者极限荷载相近，骨架曲线基本吻合；利用几何作图法求得的各项抗震性能评价指标基本相同，误差低于 。由此可知上述有限元
8、参数可用于 柱的有限元分析。第期康寅，等：形方钢管混凝土组合异形柱弱轴抗震性能研究图 柱破坏云图表有限元计算结果的误差分析项目极限荷载 极限位移屈服位移延性系数试验值 计算值 误差 破坏现象及数据整理破坏现象数值模拟表明，在向低周反复荷载下，柱进入塑性阶段后，犄角处的钢管柱柱底鼓曲，连接钢板变形，其破坏现象如图所示。骨架曲线将 个试件的骨架曲线按照柱肢厚度的不同进行归纳整理：当柱肢厚度为 ，时，各试件骨架曲线随肢厚比及方钢管壁厚的变化规律如图所示。图各试件骨架曲线青 岛理工大学学报第 卷延性系数依据骨架曲线，采用几何作图法 求得各试件的屈服位移、极限位移和延性系数（），如表所示。表各试件屈服位
9、移、极限位移和延性系数试件编号屈服位移极限位移延性系数试件编号屈服位移极限位移延性系数 理论分析由表可知，当肢厚及肢厚比较小，方钢管壁厚较薄时，形方钢管组合异形柱弱轴向的抗震性能较差。通过相关性分析 简化自变量的个数，再利用最小二乘法对表中数据进行二元二次曲线拟合 得各试件延性系数与肢长、肢厚、长厚比及方钢管壁厚之间的关系，如式（）所示。（，）（）（）由式（）得，可通过调整肢长和增厚方钢管壁厚的方式增大 形方钢管组合异形柱弱轴向的延性系数，获得与强轴向相近的抗震性能。除此之外，由表可知，各试件的极限位移变化不大，均值为 ，极差仅 ，由此可得形方钢管组合异形柱弱轴向层间极限位移角约为。结论）形方
10、钢管组合异形柱弱轴向的抗震性能较差，破坏模式以犄角处的钢管柱柱底鼓曲，连接钢板变形为主；延性系数与肢长、肢厚、肢厚比及方钢管壁厚之间的关系为 ，其中。）可通过调整肢长和增厚方钢管壁厚的方式增大形方钢管组合异形柱弱轴向的延性系数，使其获得与强轴向相近的抗震性能。）当因建筑需求导致肢长调整困难，或因增厚方钢管壁厚导致造价过高时，应验算 形方钢管组合异形柱框架结构弱轴向的层间位移角，最大值不应超过。第期康寅，等：形方钢管混凝土组合异形柱弱轴抗震性能研究参考文献（）：王文达，史艳莉，朱彦鹏异形柱框架结构的分析与设计建筑科学，（）：，（）：，（）：，混凝土异形柱结构技术规程 ，陈志华，荣彬形方钢管混凝土
11、组合异形柱的轴压稳定性研究建筑结构，（）：，（）：，：，：周婷方钢管混凝土组合异形柱结构力学性能与工程应用研究天津：天津大学，：，陈志华，陈俊，闫翔宇，等 汶川方钢管混凝土组合异形柱结构设计 建筑结构，（）：，（），（）：，钢结构设计标准 ，：李威圆钢管混凝土柱钢梁外环板式框架节点抗震性能研究北京：清华大学，：，刘振杰，徐培蓁，韩琳，等圆钢管橡胶混凝土短柱承载力分析青岛理工大学学报，（）：，（）：汪俊伊，于德湖，许卫晓小跨高比连梁抗震性能改善措施研究青岛理工大学学报，（）：，（）：张鹏，左继翔，高超，等基于 的地形要素插值验证及三维建模研究青岛理工大学学报，（）：，（）：孟玮，赵金先，孙斐，等基于 组合赋权的地铁绿色施工评价青岛理工大学学报，（）：，（）：（责任编辑赵金环；英文校审程文华）
