實復及空復式鋼管混凝土梁柱節點抗震性能分析*

王 穎， 畢靈云

(沈陽工業大學 建筑與土木工程學院， 沈陽 110870)

隨著我國建設事業的迅猛發展，結構工程技術也得到快速發展.鋼管混凝土最早應用于橋墩和工業廠房中.在20世紀80年代，外國學者主要研究了鋼管混凝土的抗震性能和耐火性能[1-3].近年來，各國學者對鋼管混凝土動力性能的研究也進一步深入，目前又開始了對復式鋼管混凝土結構的研究.復式鋼管混凝土結構就是在方鋼管中加入了圓鋼管，內嵌的圓鋼管可以有效地約束內部混凝土，彌補了單層鋼管混凝土對核心混凝土約束不足的缺點，同時外層的方鋼管兼具外表美觀、與梁連接方便等優勢，具有良好的工程應用性.復式鋼管混凝土又分為實復和空復式鋼管混凝土兩種結構，實復式鋼管混凝土內嵌的圓鋼管中澆有混凝土，空復式鋼管混凝土內嵌的圓鋼管中無混凝土，兩種結構的截面如圖1所示.實復式鋼管混凝土結構能夠充分發揮圓鋼管的約束效應，空復式的結構具有較好的抗震性能和抗火性能，且自重相對較輕[4-5].把兩種結構做對比，從而深入地分析兩者抗震性能的具體差異.通過已經完成的試驗數據，利用ABAQUS進行模擬，分析實復式鋼管混凝土節點的破壞形態，將得到的結果與試驗結果對比，若結果相對準確，則繼續對空復式鋼管混凝土節點進行模擬分析，對比分析兩種節點的應力分布，為鋼管混凝土結構在工程中的應用提供指導.

圖1 實復及空復式鋼管混凝土Fig.1 Solid and hollow multiple concrete filled steel tubes

1 試驗概況

1.1 低周循環荷載試驗

低周循環荷載試驗就是對構件在正反兩個方向上施加反復荷載，也叫擬靜載試驗，一般在模擬地震時使用.結構的抗震性能通過分析結構的滯回性能、骨架曲線、剛性和延性及耗能能力等抗震指標來體現.

1.2 試驗節點模型

1.3 節點加載制度

模型加載時首先在柱頂施加軸向荷載，其次在梁的兩端施加豎向循環荷載.加載過程與試驗一致，采用位移加載控制.屈服前每級循環一次，從屈服開始每級循環三次.加載歷程如圖4所示.圖4中，Δy為梁端屈服位移，t為加載時間.

圖2 節點模型尺寸Fig.2 Joint model size

圖3 節點詳圖Fig.3 Joint details

圖4 加載制度Fig.4 Loading principle

2 有限元模型的建立

2.1 混凝土的本構關系

外方鋼管與內圓鋼管之間的混凝土受力較為復雜，且鋼管混凝土柱在軸心受壓作用下，也要考慮鋼管與混凝土之間的相互作用.文獻[4]通過引入約束效應系數ξ，提出了混凝土受壓的本構關系式，即

(1)

(2)

(3)

2.2 鋼材的本構關系

2.3 相互作用及約束條件

圖5 混凝土受壓應力應變關系曲線Fig.5 Stress-strain relation curves of concrete under compression

圖6 三段線模型Fig.6 Triple linear model

2.4 有限元模型及單元劃分

3 有限元模擬計算結果分析

he=E/(2π)

(4)

(5)

圖7 節點模型及模型單元劃分Fig.7 Joint model and model unit meshing

表1為模擬值與試驗值數據對比.結果顯示，數值模擬所得的滯回曲線能夠較好地與試驗滯回曲線相吻合，粘滯阻尼系數及能量耗散系數較接近，從而驗證了模型的合理性.

圖8 有限元模擬計算和試驗滯回曲線Fig.8 Finite element simulated calculation and experimental hysteresis loop

圖9 節點滯回曲線包絡圖Fig.9 Envelope diagram of joint hysteresis loop

參數模擬值試驗值模擬值/試驗值he0.360.311.16E2.261.931.17

骨架曲線是由滯回曲線上每級加載的峰值點連接得到的，通過有限元模型的滯回曲線可以得到其骨架曲線，如圖10所示，模擬值與試驗值的梁端承載力對比如表2所示.

圖10 骨架曲線Fig.10 Skeleton curves

由圖10及表2可以看出，有限元分析得出的梁端承載力大于試驗得出的梁端承載力，且模擬得到的骨架曲線沒有下降段，說明數值模擬與試驗還存在一定的誤差.這是因為有限元計算模型忽略了實際焊縫缺陷的影響，而實際試驗梁端承載力的下降是由焊縫開裂導致的，所以有限元模擬得到的骨架曲線荷載值略高于試驗荷載值.

表2 梁端承載力模擬值與試驗值對比Tab.2 Comparison between simulated and experimentalvalues of bearing capacity of beam end kN

綜合以上多組數據分析，有限元模擬的計算結果與實際試驗結果相差不大，有限元模擬的計算誤差在可控制的范圍內，驗證了模型的合理性.

4 實復及空復式鋼管混凝土節點抗震性能對比分析

4.1 梁端的應力變化以及荷載位移滯回曲線

圖11 節點應力云圖Fig.11 Nephogram of joint stress

由圖11可以看出，兩種組合結構節點在達到破壞狀態時的破壞模式均是首先在梁根部發生屈曲變形.由彈性階段進入到屈服階段后，在水平端板與梁根部的連接處產生塑性鉸，繼續加載，梁端荷載傳向節點核心區，由核心區傳遞給柱子，節點周圍處于高應力區，最終由于梁根部的破壞導致試件破壞.在整個加載過程中，兩種組合結構節點的核心區均沒有被破壞，滿足“強節點弱構件”的設計要求.

圖12 兩種節點滯回曲線Fig.12 Hysteresis curves of two kinds of joints

由圖12可以看出，兩種節點的滯回曲線均較飽滿，但實復式的滯回環面積更大一些，說明實復式的耗能能力及抗震性能較好，即內嵌的圓鋼管可起到有效的約束作用，抑制了內部混凝土的開裂.節點耗能能力對比結果如表3所示，計算分析結果表明實復式鋼管混凝土節點的耗能能力相對空復式的提高了14%.

表3 節點耗能能力分析Tab.3 Analysis for energy dissipation capability of joints

4.2 節點骨架曲線

骨架曲線能夠反映出構件的延性以及承載力，如圖13所示.延性是指結構屈服后仍具有塑性變形能力的性能.本文采用位移延性系數μ來衡量，μ值越大，延性越好.延性比可表示為

(6)

圖13 節點骨架曲線Fig.13 Skeleton curves of nodes

實復式/MPa空復式/MPa實復式/空復式277.412761.01

表5 兩種節點延性對比Tab.5 Ductility comparison of two kinds of joints

4.3 強度退化

結構的強度退化[11]采用承載力降低系數來表示，其表達式為

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4.4 剛度退化

剛度退化取同一級的變形環線剛度來表示，環線剛度表達式為

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圖14 強度退化曲線Fig.14 Strength degradation curves

圖15 剛度退化曲線Fig.15 Stiffness degradation curves

5 結 論