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钢框架柱截面选择

钢框架柱截面选择

最近在学习框架结构的倒塌分析,由于结构在接近倒塌时会随着加载位移的增大使梁、柱等结构构件会出现不同程度的循环退化,退化可以分为两种情况:第一种是构件强度达到峰值后出现强度下降产生退化,第二种是构件在多次循环下出现退化。目前的大部分有限元软件对于结构的塑性主要采用纤维模型和塑性铰模型两种模型进行模拟,而纤维模型主要用于受弯构件的模拟,混凝土框架在结构接近倒塌阶段时很可能已经出现了较大的剪切破坏和纵筋的粘结滑移,这对于纤维模型来讲是无法自动计算的,如果一定要使用纤维模型,就必须在构件两端设置塑性铰以考虑剪切和粘结滑移。钢框架在结构接近倒塌阶段时会梁、柱等会出现明显的局部屈曲,当柱单元长细比较大时甚至会出现水平扭转屈曲,使得构件的强度和刚度出现明显的退化,这也是纤维模型无法考虑的,因此如果要模拟结构接近倒塌的状态目前主流的方式是采用塑性铰模型。

最开始接触塑性铰模型时是在SAP2000中,在SAP2000中考虑塑性只能采用塑性铰,而其塑性铰模型的参数均是基于规范FEMA356的相关公式计算的,因此在使用时完全不用对塑性铰的参数进行任何的设置,使用起来非常方便。这里有必要了解一下FEMA356,这本规范的相关公式直接决定了SAP2000中塑性铰模型对循环损伤计算结果的精度,FEMA356是美国Federal Emergency Management Agency对于钢结构、钢筋混凝泥土结构、砌体结构及木结构建筑物以其性能表现为基准(Performance-Based)的抗震评估方法,成文于2000年12月,显然其不能反映出近些年来土木方向的最新研究成果,其塑性铰模型主要用于静力推覆分析,而不是非线性时程分析,因此其滞回关系并未考虑循环退化,即使用于静力推覆分析也常常因为其带有“棱角”的骨架曲线使计算结果呈“锯齿状”,难以令人满意。之后在学习OpenSees时才开始接触IMK材料模型,其超多的参数设置显示出塑性铰模型使用的复杂性,这种模型考虑了屈服强度、峰值强度、重新加载刚度和卸载刚度随循环加载产生的退化,Lignos根据前人的试验采用多元回归分析得出了工字钢梁和方钢管柱的截面尺寸与IMK材料模型所需参数之间的关系,他的出发点是只要知道了结构的几何和截面尺寸,就可以通过其回归公式得出确定构件的IMK材料参数用于塑性铰模型,但由于目前对工字钢柱的试验较少,他并未给出工字钢柱的IMK材料参数,此外框架柱在使用中会承受轴向力,而且在抗震设计时“强柱弱梁”的思想总是要求柱单元拥有更好的延性,因此其截面形式的选择与框架梁有很大不同。对于美国的钢结构设计来讲,柱截面传统上来讲常采用W14柱截面,不仅截面形式小巧,而且(W14*132以上)腹板的高厚比和翼缘的宽厚比是很小的,高度较小的腹板对翼缘产生有效约束,使其不会过早的出现翼缘局部屈曲,使得这种柱截面具有非常高的延性,Newell通过低周反复实验发现即使达到10%层间位移角,其也不会出现整体失稳,但由于目前的结构设计需要采用高度更大的柱截面,当高厚比更大的构件作为柱截面使用时,其延性的具体数值还有待考证,因此Fogarty通过多元线性回归和有限元模拟提出了以下公式代替ANSI对延性构件的要求,认为只要轴压比小于该临界值可认为该构件为延性构件,所谓的临界轴压力指的是在层间位移角达到4%时该柱能承担(整体失稳之前)的最大轴压比。

\[\frac{P}{{{P_y}}} = 2.6224 – 0.2037log(\frac{h}{{{t_w}}}) – 0.3734log(\frac{L}{{{r_y}}})\]

该公式只与柱子的腹板的宽厚比和柱子的长细比有关,而对于柱子翼缘的宽厚比需要满足当前规范对延性构件的要求。

参考文献:

James D. Newell. Cyclic Behavior of Steel Wide-Flange Columns Subjected to Large Drift

J. Fogarty. Collapse Resistance of Steel Columns under Combined Axial and Lateral Loading

ANSI (American National Standards Institute)/AISC. (2010). Seismic provisions for structural steel buildings.

Lignos, D.G. Sidesway collapse of deteriorating structural systems under seismic excitations

Haselton. Assessment seimic collapse safety of modern reinforced concrete moment frame buildings

 

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  1. 犀利~~~

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