PEC十形柱抗震性能试验探讨范文

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论文字数:26522 论文编号:sb2021052423243035725 日期:2021-06-19 来源:硕博论文网
笔者通过试验以及模拟分析可以得到以下结论:(1)在不同轴压比作用下试件拥有相似的破坏特征,翼缘均为强轴柱脚处混凝土被压碎,型钢翼缘屈曲,试件最终失去承载力。不同的是随着轴压比的增加,试件先后出现系杆弯曲,腹板屈曲以及翼缘剥离腹板等破坏现象。(2)PEC 异形柱在进入到弹塑性变形阶段后的滞回环呈梭形,并且围绕原点对称,说明结构拥有良好的耗能性能。(3)在试件轴压比递增的情况下,骨架曲线的峰值荷载增加,极限位移递减,曲线纵坐标增加,横坐标减小,可以有效增加试件的水平承载力。

1 绪论

1.1 选题背景及意义
中国是一个地震多发国家,根据有关研究[1],近百年来数十座城市在地震破坏下毁于一旦。地震危害不仅使人类的经济财产受损,更加威胁到人类生存。2008 年 5 月发生于我国四川省汶川县的一起特大地震为我们的抗震研究敲响了警钟,在这场自然灾难中,有 7 万余人丢失了宝贵的生命,30 万人受伤,大约 500 万人流离失所,对当地经济造成巨大冲击[2]。此外日本的本州岛、智利比奥比奥和美国阿拉斯加[3,4]均发生过重大地震。这些重大灾难告诫我们设计一套成熟完备的抗震体系已迫在眉睫。
地震频发带来的危害使建筑物的抗震性能愈发重要,以正确理论为指导,加上合理的设计计算,使建筑物达到安全的抗震标准。工程研究表明,良好的延性和耗能性能是使建筑物抵抗地震灾害的重要指标,避免构件尤其是竖向承重构件因出现脆性破坏而使建筑物坍塌。框架柱作为框架结构中的主要承重构件,在轴压比过大时易发生脆性破坏。
当今世界的发展日新月异,各种高层超高层建筑平地而起,构件材料不管从强度的极限、结构的抗震以及防火等级要求都有着更高的要求。鉴于传统结构形式不能满足当今建筑的发展要求,组合结构应用而生。组合结构是由两种或两种以上结构材料组合而成的新型结构。其中型钢混凝土作为一种常见的组合结构因其经济合理,承载力高等优点而被广泛应用于实际工程。组合结构的特征在于通过不同材料的混合使用,扬长避
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1.2 PEC 组合柱的特点
(1)传统钢筋混凝土高层或大跨度建筑中,梁柱截面尺寸通常较大,不仅使得房屋实际使用面积减小,而且对资源也是一种浪费。PEC 组合柱中型钢取代受力钢筋,因此钢含量不受限制,承载力极大提高,横向系杆起到箍筋的作用,使得型钢和混凝土共同工作,即使混凝土发生碎裂也能对翼缘起到支撑作用。PEC 组合柱可以有效解决高层建筑中底层柱截面尺寸过大的问题,提高建筑物的层高和使用面积,更加经济化。
(2)相对于传统钢结构建筑,混凝土加强了钢结构的强度,刚度,使建筑物整体更加稳定,而且混凝土的填充减小了型钢和空气的接触面积,可有效减少防火防腐材料的使用,更加节能环保。
(3)PEC 柱的预制化和装配化程度较高,减少现场施工工序,缩短工期,对保护环境也有重要意义。
PEC 十形柱通过在翼缘和腹板间焊接横向系杆,并浇筑混凝土形成的新型构件,其截面形式如图 1.1 所示。因型钢、系杆和混凝土之间的协同工作,使得试件具有良好的承载力、防火以及抗震性能。这种结构应用于高层建筑中,代替传统的矩形柱,使柱肢与墙体融为一体,形成暗柱,增加了房间的使用面积,使房间更加灵活美观。
图 1.1 PEC 十形柱截面形式
图 1.1 PEC 十形柱截面形式
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2 PEC 十形柱抗震性能试验

2.1 试验概况
2.1.1 试验目的
本次试验主要研究目的如下:
(1)加载过程中,观察 PEC 十形柱试件的整体变形、翼缘屈曲、混凝土裂缝发展情况以及试件破坏形态。分析 PEC 试件各部分之间的协同工作性。
(2)记录并分析试验数据,研究在不同轴压比作用下 PEC 十形柱试件的受力特征、初始刚度、变形能力以及延性特征。
(3)佐证有限元模拟分析和拓展的可靠性。
图 2.1 试件设计尺寸
图 2.1 试件设计尺寸
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2.2 测试内容及仪表布置
2.2.1 测试内容
试验主要测量内容包括:
(1)柱顶竖向荷载、加载点处的水平荷载测量
柱顶竖向荷载的采集依靠液压千斤顶,通过荷载传感器全程监控轴力变化。柱顶水平荷载和水平位移由电液伺服作动器中的荷载位移传感器实时记录。
(2)水平位移测量
试验中,地梁和柱顶 10cm 处分别放置用于测量水平方向的位移计,分别用于测量试件顶部位移和地梁平动。
正式加载开始时,按照试件加载制度首先对十形柱施加竖向荷载,缓慢加载以便观察各测量仪表的工作状况。同时为了保证试件在每次施加荷载后能够充分变形,在每阶段预留相应时间。并保证试验人员有足够观察时间,试件裂缝通过人工观察并秒回,试验现象由人工实时记录并用相机拍照存底。
根据以上对 3 个 PEC 十形柱试验过程的描述可知,在不同轴压力和水平荷载作用下,试件拥有相似的破坏特征。试验加载初期,试件处于弹性工作阶段,没有破坏现象发生。随后在柱根部翼缘侧混凝土第一次出现水平裂纹,随着加载继续,原有裂缝不断发展,新裂缝产生,接着出现混凝土脱落和系杆暴露等现象。由于缺乏混凝土的约束,在试件位移值不断增大的情况下型钢翼缘发生屈曲,试件最终失去承载力。不同的是随着轴压比的增大,试件出现系杆弯曲,腹板屈曲以及翼缘屈曲等破坏现象。
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3 PEC 十形柱试验结果及抗震性能分析....................... 14
3.1 试验过程及特征分析........................... 14
3.1.1 试验加载过程描述 ........................... 14
3.1.2 试件破坏形态分析 ............................ 18
4 基于 ABAQUS 的 PEC 十形柱有限元分析....................... 29
4.1 ABAQUS 程序概述 .............................. 29
4.2 有限元模型的建立............................. 29
5 结论与建议..................... 39
5.1 本文主要结论 .......................... 39
5.2 建议....................... 40

4 基于 ABAQUS 的 PEC 十形柱有限元分析

4.1 ABAQUS 程序概述
ABAQUS 作为一款常用的有限元计算分析软件,,可以进行荷载-位移分析、稳态传输分析、流体动力学分析以及多种类型的耦合分析。ABAQUS 不仅可以解决相对简单的线性问题,也可以处理许多复杂的非线性问题。ABAQUS 功能强大且操作简单,可以通过选项块中不同组合模拟出来。对于较复杂问题的模拟可以通过构建每一个零件尺寸后进行装配整合。ABAQUS 中有三个主要的求解器模块:ABAQUS/Standard 模块、ABAQUS/Explicit 模块以及 ABAQUS/CAE 模块。ABAQUS/Standard 模块可以解决大部分静态、动态以及非线性问题。ABAQUS/Explicit 模块主要用来解决非线性动力问题以及准静态问题,例如跌落、爆炸和冲击等问题。用户可以通过 ABAQUS/CAE 模块完成几何建模、荷载幅值定义、网格划分等步骤,然后通过可视化和后处理功能提取想要的结果。
ABAQUS 软件的特点,人机界面友好,前后处理完善,非线性分析功能强大,用途广泛,一般分为如下几个步骤:Part, Mesh, Property, Assembly, Step, Interaction, Load, Job和Visualization.
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5 结论与建议

5.1 本文主要结论
本文通过对 3 个 PEC 柱进行抗震性能的试验研究,得到了不同轴压比对 PEC 柱延性、强度、刚度等抗震性能的影响规律。基于有限元模型在一定范围内的可靠性基础上,对 6 组 PEC 试件进行关于轴压比以及截面含钢率的拓展分析。通过试验以及模拟分析可以得到以下结论:
(1)在不同轴压比作用下试件拥有相似的破坏特征,翼缘均为强轴柱脚处混凝土被压碎,型钢翼缘屈曲,试件最终失去承载力。不同的是随着轴压比的增加,试件先后出现系杆弯曲,腹板屈曲以及翼缘剥离腹板等破坏现象。
(2)PEC 异形柱在进入到弹塑性变形阶段后的滞回环呈梭形,并且围绕原点对称,说明结构拥有良好的耗能性能。
(3)在试件轴压比递增的情况下,骨架曲线的峰值荷载增加,极限位移递减,曲线纵坐标增加,横坐标减小,可以有效增加试件的水平承载力。
(4)三组试件的延性系数均大于 3,说明结构的延性较好,有较可靠的抗震能力。延性系数随着轴压比的增加明显呈现递减状态,后两组十形柱延性系数分别降低了 2.1%和 26.88%,表明轴压比同试件延性系数呈负相关。
(5)试件的耗能位移曲线趋于线性关系,且同一加载级别下,轴压比越大的试件,等效粘滞阻尼系数越大,但是轴压比的增加会使结构的较早达到峰值荷载,加载级别减小。导致轴压比较大的试件累计耗能降低。
(6)试件的承载力退化系数均在 0.974 以上,说明 PEC 结构拥有较为良好的承载力稳定性。对于同一级别加载,可以发现推力作用下的试件承载力退化系数总要高出拉力作用下的试件承载力退化系数,可以推断 PEC 十形柱拉力作用下的强度退化更为明显。
参考文献(略)
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