軸壓比對框架節點抗震性能影響的數值模擬分析

占亞翔，蔣隆敏，唐從青，吳城林

（湖南工業大學 土木工程學院，湖南 株洲 412007）

軸壓比對框架節點抗震性能影響的數值模擬分析

占亞翔，蔣隆敏，唐從青，吳城林

（湖南工業大學 土木工程學院，湖南 株洲 412007）

運用ANSYS有限元分析軟件制作3個相同的鋼筋混凝土框架節點模型，在控制豎向軸壓力的條件下，當軸壓比分別為0.3, 0.5, 0.7時，對其進行低周反復加載，研究框架節點的抗震性能，包括裂縫開展情況、延性、耗能能力等的變化規律。研究結果表明：在一定程度內，隨著框架柱端軸壓力的增加，框架節點核心區混凝土的約束作用逐步增強，節點核心區的剪切變形被有效地限制，而抗剪承載力、耗能能力得到了一定的提高。

框架節點；軸壓比；抗震性能

0 引言

框架結構體系在地震作用下最容易受到損壞的部位是節點核心區，而節點核心區的破壞將直接打破梁柱受力平衡關系，從而導致整個框架承載能力喪失，以致結構發生倒塌。大部分鋼筋混凝土框架結構的破壞或倒塌都是由于節點核心區破壞造成的[1]。節點是框架梁與柱連接的關鍵性傳力部位，必須要有足夠的強度來保證其正常運行，其重要性在整個框架節點體系中是無法忽視的。因此在抗震結構體系中，對框架節點的研究具有重要的實際意義。

軸壓比是影響鋼筋混凝土框架節點抗震性能的重要因素之一，近年來國內外學者已經做了較多的相關研究[2-5]，取得了一些重要研究成果，如提出軸壓比的建議值范圍及軸壓比對框架結構構件抗震性能的具體影響等。但有關軸壓比對框架節點抗震性能有限元數值模擬分析的研究文獻較少。又因試驗研究比模擬研究耗時長，需要大量的人力、物力。因此本文擬運用ANSYS有限元分析軟件，制作3個相同的鋼筋混凝土框架節點模型，研究軸壓比分別為0.3, 0.5, 0.7時框架節點的抗震性能。

1 試件

1.1 試件參數

框架節點模型中，設置框架柱凈高1 675 mm，截面尺寸250 mm×250 mm；梁長2 600 mm，截面尺寸150 mm×300 mm。在柱底部布置一塊20 mm厚剛性鋼板防止發生應力集中無法收斂。試件的尺寸與配筋及主要參數分別見圖1和表1。

1.2 計算參數

模擬采用等級為C20的混凝土，混凝土立方體抗壓強度、單軸抗壓強度標準值分別為20 MPa, 9.6 MPa，單軸抗拉強度設計值為1.1 MPa，泊松比為0.2，彈性模量為2.55×104MPa。鋼筋采用HRB335，屈服強度為300 MPa，彈性模量為2.0×105MPa，泊松比為0.3。分別取閉合、張開裂縫剪力傳遞系數為0.95, 0.25。

2 有限元建模分析

2.1 單元選取

混凝土采用SOLID65單元，SOLID65單元是用于模擬混凝土等非線性、非均勻材質的單元；鋼筋采用LINK8單元[6]，LINK8單元用來模擬鋼筋，其具有塑性、膨脹、大變形等功能。

2.2 材料本構關系與破壞準則

SOLID65單元在缺省的條件下，混凝土單軸應力應變關系上升段采用GB50010—2002《混凝土結構設計規范》規定的公式，下降段則采用文獻[6]中Hongnestad的處理方式，即：

fc為混凝土軸心抗壓強度設計值；

2.3 模型的建立

分離式建模能夠考慮鋼筋和混凝土之間的滑移和粘結，相比于整體式建模更符合工程實際情況。本文采用分離式建模；框架節點的有限元模型如圖2所示。

2.4 加載程序

在整個數值模擬地震的過程中，在控制軸壓力的條件下分別對3個框架節點模型梁端施加水平低周往復加載?？蚣苤Q向荷載在加載過程中保持恒定；框架梁端加載方法采用力-位移混合控制，即當框架梁在屈服以前按荷載控制，在屈服以后就按位移控制，加載程序見圖3所示。

3 有限元結果分析

3.1 裂縫開展及破壞形態

選各框架柱頂的水平位移為8 mm時的裂縫作為對比裂縫圖，如圖4所示。由圖可知，各框架試件節點核心區都發生了不同程度的剪切破壞。K-1試件節點核心區裂縫開展情況較K-2試件嚴重，K-2試件裂縫開展情況稍大于K-3試件。這說明在一定程度內提高框架柱端軸壓力，框架節點核心區混凝土的約束能力得到相應地增強，從而限制了框架節點核心區的剪切變形，使框架節點核心區斜裂縫的發展被有效減緩。

3.2 各構件應力圖

各框架構件的應力圖如圖5所示。由圖可知，框架柱角的受力最大；隨著軸壓比的增大，試件的受壓范圍也隨之增大，受壓區混凝土受壓膨脹外鼓，進而使混凝土側向約束力也增大。這表明在一定程度內適當增大框架柱端軸壓力，節點核心區的抗剪強度能夠得到提高。

3.3 滯回曲線及骨架曲線

結構在低周往復荷載作用下得到的荷載-位移曲線圖綜合體現了其抗震性能。各框架試件的滯回曲線及骨架曲線如圖6所示。由圖可知，滯回曲線圖都呈反S型，這反映了此次模擬的各框架試件在地震作用下受到滑移影響較大，且各試件延性和吸能能力較差。K-2試件比K-1試件的滯回曲線圖飽滿，而K-3試件與K-2試件的滯回曲線飽滿程度相差不大，這說明軸壓比在一定限值內提高框架柱端軸壓力，對于框架節點核心區的抗剪能力和耗能能力是有利的，但提高軸壓比超過這一范圍，則對構件的各項抗震性能影響并不明顯。

滯回曲線上的外包絡連線稱為骨架曲線，骨架曲線能夠作為衡量試件加載過程中力與變形間的關系。由圖6d可以看出，框架試件K-1的骨架曲線覆蓋面積小于K-2的，而K-2的略小于K-3的并且幾乎接近。這進一步說明，在一定程度內提高框架試件的軸壓比，能夠加強框架節點核心區混凝土的約束作用；抗剪承載力、耗能能力亦能相應地提高，從而節點的抗震性能得到改善。

3.4 位移延性

因為鋼筋混凝土結構在遭遇地震時即進入塑性階段，此時結構產生的塑性變形能夠吸收并耗散地震所帶來的能量[8]，因此延性可作為衡量構件抗震性能的依據之一。分析框架節點位移延性，可采用公式計算位移延性系數的方法來表述，公式為

由滯回曲線圖相應得到的骨架曲線，再通過繪圖法可以得到相應的柱端屈服位移Δy。各試件的延性系數及相關參數如表2所示。

由表2可知，框架試件 K-3的位移延性系數相比K-2降低約13.4%，試件K-2的位移延性相比K-1降低約6.3%。這表明隨著軸壓比的提高鋼筋混凝土框架節點的延性系數下降，節點的脆性增強，而延性性能降低對于節點抗震抗剪是不利的。

3.5 耗能能力

結構能夠吸收地震時所釋放的巨大能量，即具有足夠的耗能能力是保證其在地震作用下不倒塌的必要前提。耗能能力是衡量結構抗震性能的一個重要參數。為了研究框架試件的耗能能力，采用Celebl和Penzien在研究中所采用的方法來表達構件的耗能能力，即等效粘滯阻尼系數he。耗能計算簡圖見圖7，he表達式[9-10]為

各框架試件的he及相關參數見表3。

由表3可以看出軸壓比分別為0.3, 0.5, 0.7時，各等效粘滯阻尼系數模擬值分別約為0.065 7, 0.083 9, 0.084 6。試件K-2的he相比于試件K-1的提高了27.7%，而K-3的比K-2的卻只提高0.8%。這說明隨著軸壓力的增大，試件吸能能力、耗能能力都能夠逐漸提高，但當軸壓比到達某一限值時，提高軸壓比對耗能能力的提高效果并不明顯。

4 結論

通過對不同軸壓比下鋼筋混凝土框架節點的抗震性能進行數值模擬分析，研究框架節點裂縫開展情況、滯回曲線、耗能性能、延性等的變化規律，可得如下結論：

1）在一定程度內，隨軸壓比的增加，框架節點核心區的受剪承載力隨之增加，并且起到約束節點核心區裂縫發展的作用，在一定程度上框架節點的剪切變形被限制，同時抗剪承載力、耗能能力相應提高?？梢娺m當提高軸壓比有利于提高框架結構的抗震性能，然而隨著軸壓的比增加同時也增加了節點的脆性，使得框架節點延性降低。

2）框架節點的軸壓比并不是越大越好，選用適當的軸壓比以及增加對核心區的配箍，對提高框架節點的抗震性能是非常有效的。

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（責任編輯 ：鄧光輝）

A Numerical Simulation Analysis of the Influence of Axial Compression Ratio on the Seismic Capacity of Frame Nodes

ZHAN Yaxiang，JIANG Longmin，TANG Congqing，WU Chenglin
（School of Civil Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

Three identical reinforced concrete frame node models have been made by utilizing ANSYS finite element analysis software.A reversed low cycle loading has been made on the seismic capacity of frame nodes, under the control of vertical shaft pressure, with its axial compression ratios being 0.3, 0.5, 0.7.A research has thus been conducted on the seismic capacity of frame nodes, as well as the change regulation of crack development, ductility, and energy dissipation capacity.The results show that, to a certain extent, with the increase of frame column end shaft pressure, the restraint effect of concrete in the core area of frame nodes gradually increases, the shear deformation in the core region of the frame nodes is effectively limited, and the shear bearing capacity and energy dissipation ability is improved to some degree.

frame node；axial compression ratio；seismic capacity

TU375.4

A

1673-9833(2017)01-0030-05

10.3969/j.issn.1673-9833.2017.01.005

2016-10-17

湖南省自然科學株洲聯合基金資助項目（2016JJ5037）

占亞翔（1991-），男，江西上饒人，湖南工業大學碩士生，主要研究方向為新型材料在結構加固中的應用，E-mail：1974275524@qq.com