关于改善钢骨混凝土复合受扭构件抗震性能的参数优化设计

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摘 要：本文利用有限元软件ANSYS，选取轴压比、混凝土强度等级和剪跨比为设计参数，研究并选取这些设计参数的优化组合，以此来改善并提高钢骨混凝土构件的抗震性能，选取耗能能力和延性作为改善提高的对象进行设计参数的优化选取。通过以上的研究，为将来钢骨混凝土复合受扭构件抗震性能的优化设计提供依据与参考。

关键词：钢骨混凝土(SRC)构件；抗震性能；非线性有限元分析；参数；优化设计

中图分类号：TV331文献标识码： A

1 构件的设计及分组

为了改善钢骨混凝土构件的抗震性能，以耗能能力和延性作为改善提高的对象对构件的设计参数进行优化，依据以上设计参数设计了四组共14个柱构件，并对每组柱构件进行有限元模拟，对所得数据分析计算并得到其变化规律。

柱构件分组情况如下所示：

第一组以轴压比为设计参数，轴压比分别为0.15、0.25、0.35、0.4、0.6、0.8。

第二组以混凝土强度等级为设计参数，混凝土强度等级分别为C20、C30、C40、C50、C60。

第三组以剪跨比为设计参数，剪跨比分别为2、2.25、2.5、3、4。

所有构件的截面尺寸均为240mm×310mm，构件长度均为1140mm，构件内均配置4根直径为16mm的HRB335级钢筋，箍筋直径为10mm，箍筋间距为100mm，型钢为Q235级的碳素结构钢。所有构件的设计信息汇总于表1。

表1 构件设计信息汇总表

通过对四组构件进行有限元模拟，得到了各组构件的数据，由于所得计算数据繁多，在此没有列出。分析数据得到了改善钢骨混凝土复合受扭构件耗能能力和延性的设计参数优化组合。

2 改善钢骨混凝土构件耗能能力的设计参数优化组合

分析数据可以得到每组构件的等效粘滞阻尼系数，并对其变化规律进行分析总结，以此得到了改善耗能能力的设计参数优化组合为：

（1）根据第一组构件的等效粘滞阻尼系数变化规律可知，等效粘滞阻尼系数随着轴压比的增大而减小，轴压比为0.15的构件其等效粘滞阻尼系数最大，且从荷载―位移滞回曲线和骨架曲线可以看出，此构件的水平极限承载力较大，达到的极限位移较大。但是柱构件的截面尺寸是根据轴压比来确定的，轴压比过小，会造成柱构件的截面尺寸过大，导致其自重过大，引起的地震反应过大，也更容易形成短柱，这些都不利于改善柱的耗能能力。因此在进行耗能能力改善时应综合以上的情况进行考虑，选择最优的轴压比为0.4。

（2）根据第二组构件的等效粘滞阻尼系数变化规律可知，等效粘滞阻尼系数随着混凝土强度等级的提高而减小，虽然混凝土强度等级为C20的构件其等效粘滞阻尼系数最大，但是从荷载―位移滞回曲线和骨架曲线可以看出，其水平极限承载力过低，达到的极限位移过小，极限变形能力过差。因此在进行耗能能力改善时应综合以上的情况进行考虑，选择最优的混凝土强度等级为C30。

（3）根据第三组构件的等效粘滞阻尼系数变化规律可知，等效粘滞阻尼系数随着剪跨比的增大而增大，剪跨比为4的构件其等效粘滞阻尼系数最大，且从荷载―位移滞回曲线和骨架曲线可以看出，此构件的水平极限承载力较大，达到的极限位移较大，塑性转动能力较强，但剪跨比越大，构件的刚度越小。因此在进行耗能能力改善时应综合以上的情况进行考虑，选择最优的剪跨比为3。

综上所述，改善钢骨混凝土构件耗能能力的设计参数优化组合为：轴压比为0.4，混凝土强度等级为C30，剪跨比为3。

3 改善钢骨混凝土构件延性的设计参数优化组合

分析数据可以得到每组构件的延性系数，并对其变化规律进行分析总结，以此得到了改善延性的设计参数优化组合为：

（1）根据第一组构件的延性系数变化规律可知，延性系数随着轴压比的增大而减小，轴压比为0.15的构件其延性系数最大，且从荷载―位移滞回曲线和骨架曲线可以看出，此构件的水平极限承载力较大，达到的极限位移较大。但是柱构件的截面尺寸是根据轴压比来确定的，轴压比过小，会造成柱构件的截面尺寸过大，导致其自重过大，引起的地震反应过大，也更容易形成短柱，这些都会降低柱的延性。因此在进行延性改善时应综合以上的情况进行考虑，选择最优的轴压比为0.4。

（2）根据第二组构件的延性系数变化规律可知，延性系数随着混凝土强度等级的提高而减小，虽然混凝土强度等级为C20的构件其延性系数最大，但是从荷载―位移滞回曲线和骨架曲线可以看出，其水平极限承载力过低，达到的极限位移过小，极限变形能力过差。因此在进行延性改善时应综合以上的情况进行考虑，选择最优的混凝土强度等级为C30。

（3）根据第三组构件的延性系数变化规律可知，延性系数随着剪跨比的增大而增大，剪跨比为4的构件其延性系数最大，且从荷载―位移滞回曲线和骨架曲线可以看出，此构件的水平极限承载力较大，达到的极限位移较大，塑性转动能力较强，但是剪跨比越大，构件的刚度越小。因此在进行延性改善时应综合以上的情况进行考虑，选择最优的剪跨比为3。

综上所述，改善钢骨混凝土构件延性的设计参数优化组合为：轴压比为0.4，混凝土强度等级为C30，剪跨比为3。

4 结束语

本文研究并选取轴压比、混凝土强度等级以及剪跨比这些设计参数的优化组合，以此来改善并提高钢骨混凝土构件的抗震性能，选取耗能能力和延性作为改善提高的对象进行设计参数的优化选取。通过以上的研究，为将来钢骨混凝土复合受扭构件抗震性能的优化设计提供依据与参考。得出的结论如下：

（1）改善钢骨混凝土构件耗能能力的设计参数优化组合为：轴压比为0.4，混凝土强度等级为C30，剪跨比为3。

（2）改善钢骨混凝土构件延性的设计参数优化组合为：轴压比为0.4，混凝土强度等级为C30，剪跨比为3。

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