方鋼管混凝土柱—鋼梁抗震性能分析★

徐 嫚 韓振寧 王 鈞 梁思雨

(1.東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040； 2.中國地震局工程力學研究所，黑龍江 哈爾濱 150090)

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方鋼管混凝土柱—鋼梁抗震性能分析★

徐 嫚1,2韓振寧1*王 鈞1梁思雨1

(1.東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040； 2.中國地震局工程力學研究所，黑龍江 哈爾濱 150090)

介紹了套筒連接方鋼管混凝土柱和鋼梁的新型半剛性節點形式特點，通過ABAQUS有限元模擬循環加載方式，分析了此節點在改變套筒厚度下的節點受力機理，研究了此類節點的滯回曲線與骨架曲線等，得到了該節點的抗震性能。

方鋼管混凝土，半剛性節點，抗震性能，ABAQUS

改革開放以來，我國經濟迅速發展，很多高層建筑在生活中會被看到。隨著增加建筑高度，一定會導致增加重力荷載，并因此導致試件截面擴展[1]。鋼管混凝土結構可以處理這些問題，使得建筑物內部空間擴大，外形美觀[1-3]。

在鋼管里澆筑混凝土變成的組合結構就是鋼管混凝土。采用對不同樣式的截面進行劃分，可以分為圓形、方形和多邊形鋼管混凝土等形式(韓林海[4])，如圖1所示。應用最多鋼管混凝土的截面是圓形截面和方形截面。實際工程中表明了方鋼管對混凝土有良好的約束作用，尤其是在加載后期，充分發揮方鋼管的約束作用，提高了構件的延性。

依據不同的剛度性能，可以把節點劃分為剛接、鉸接和半剛性連接，連接分類見圖2。與鉸接、剛性連接進行對比，具有更好節點的抗震性能是半剛性連接[5-7]。以半剛性連接為前提條件下，節點的破壞模式、位移反應、內力分布，極限承載力都可以被我們較精確的計算出[8-10]。

一種新的半剛性節點形式由本課題組提出，并且運用有限元軟件ABAQUS對節點進行循環荷載分析，以此得出此節點的抗震性能[11-13]。

1 新型半剛性節點的形式

鋼管混凝土柱與鋼梁是通過套筒連接，套筒是用4塊鋼板焊接而成，套筒與鋼梁的上下翼緣和腹板是完全焊接，節點構造詳圖參見圖3。

節點的具體尺寸如表1所示。同時設定軸壓比n=0.23，軸力N=770 kN。套筒厚度分別設為4和7。

表1 有限元分析構件尺寸

2 有限元模型建立

在ABAQUS中通過控制坐標對二維平面創建幾何實體模型。在ABAQUS中，不能直接定義材料屬性，因此要先定義截面屬性，再為截面屬性里選定材料。

對于鋼材我們采用的是Q235鋼，彈性模量取的是E=2.06×105N/mm2，泊松比為0.3，密度為78.5 N/mm2。混凝土[14,15]與鋼材本構關系模型如圖4所示。

確定材料屬性后，需要進行裝配，分析步的設置，定義各個接觸面的相互作用，施加荷載，對模型進行網格劃分，分析作業并提交計算。

3 節點抗震性能分析

3.1 節點的破壞形態

通過ABAQUS建立好有限元模型，在左右梁端施加循環荷載，柱頂施加固定的軸力，以此模擬試驗的加載方式。可以得到圖5的破壞形態，圖5為有限元模擬試件的破壞形態。由圖5可以看出，節點的破壞表現為：兩側鋼梁發生扭曲，套筒發生鼓曲現象。

3.2 滯回曲線

滯回曲線，也叫恢復力曲線，節點各項性能主要是靠它反映，尤其是節點抗震性能。它還反映在節點受到循環荷載條件下的變形特征，能量消耗等特性。本文設計三個不同套筒厚度的節點形式，通過ABAQUS得出三個節點的滯回曲線，如圖6所示。有限元模擬出的滯回曲線如圖6所示，從圖6可看出節點的強度和剛度退化不明顯。在鋼梁歸位時，基本保持彈性階段。有限元模擬是對左右鋼梁進行循環加載，因此可以看出滯回曲線是按一三象限對稱。

3.3 骨架曲線

在對梁施加循環加載過程中，把滯回曲線中同一加載方向的最大荷載逐個連接，得到骨架曲線。曲線頂點值的軌跡，能反映構件在加載不同時期的受力和變形狀況，可以更好了解到結構內的極限強度、屈服極限、剛度退化、強度退化等。骨架曲線見圖7。

3.4 鋼梁應力分布

與試驗研究相對比，可以看到試件內部的應力應變情況是有限元分析的一大亮點。細致的研究此類節點的受力特性，對此節點的應力分布有重要意義。圖8給出了試件的中左側鋼梁的應力分布云圖，從圖8中可以看出梁的上下翼緣出現了彎曲的形態。以此得出相同軸壓比，相同的材料，套筒壁厚較薄的試件的核心區域容易發生屈曲。

3.5 鋼管柱應力分布

有限元軟件模擬可以得出試驗中無法測出的方鋼管混凝土柱的應力分布，并對方鋼管混凝土柱的應力分布進行分析。圖9為方鋼混凝土柱的應力云圖，從圖9中可以看出，方鋼管在節點破壞時，梁端對套筒傳遞剪力，使鋼管柱受壓，壓力較為集中的部位為套筒連接鋼管的四周，所以周邊的應力比其他位置要大，同時可以看出方鋼管兩側出現了鼓曲。

4 結語

本文運用ABAQUS有限元分析軟件，對方鋼管混凝土柱—鋼梁半剛性節點進行了研究。得到以下結論：1)改變套筒的厚度，可以發現節點的性能發生顯著的變化，當改變套筒的厚度，通過分析可以看出節點的延性增加，極限承載力發生提高。從而進一步得出增大套筒的厚度可以改善此節點的抗震性能。2)節點試件的有限元模擬出的骨架曲線呈S形，可以證明在循環荷載作用下節點經歷了彈性、塑性破壞和彈塑性三個受力階段。3)ABAQUS有限元軟件可以得到鋼梁與鋼管混凝土柱的應力分布云圖，這些數據很難在試驗中測到，通過ABAQUS分析，可以對此類節點有了更進一步的理解。

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Seismic behavior analysis on concrete-filled square tubular column to steel beam★

Xu Man1,2Han Zhenning1*Wang Jun1Liang Siyu1

(1.SchoolofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China；2.InstituteofEngineeringMechanics,ChinaEarthquakeAdministration,Harbin150090,China)

In this paper, a new type of semi-rigid joint of concrete-filled square steel tubular column and steel beam is proposed. The ABAQUS finite element simulation method is used to analyze the stress mechanism of the node under the thickness of the sleeve. The hysteresis curve and skeleton curve of such nodes are studied to study the seismic performance of such nodes.

concrete-filled square steel tubes, semi-rigid joint, seismic behavior, ABAQUS

1009-6825(2017)10-0033-03

2017-01-24

★：國家自然科學青年基金：新型方鋼管混凝土柱-鋼梁半剛性節點受力性能研究(51408106)；黑龍江省博士后資助項目：塔式鍋爐抗連續性倒塌性能研究(LBH-Z13210)

徐 嫚(1982- )，女，講師，碩士生導師，工學博士

韓振寧(1991- )，男，在讀碩士

TU352

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