不同加載方式下鋼管混凝土角柱節(jié)點抗震性能研究

韓琳 李泉荃

摘 要：通為研究不同加載方式下鋼梁-鋼管混凝土角柱節(jié)點的抗震性能，基于有限元計算軟件ABAQUS建立了4個三維實體模型，分別以柱端0度、柱端45度、梁端同向、梁端反向等不同加載方式為控制變量。經(jīng)過計算分析表明，不同加載方式對試件破壞形態(tài)影響較大;柱端加載角度不同對試件滯回性能和承載力影響不大;梁端加載方向不同對試件滯回性能和承載力影響較大。

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土;角柱節(jié)點;抗震性能;加載方式

中圖分類號：TU375? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）01-0115-03

1引言

鋼管混凝土構(gòu)件由于其承載力高、抗震性能優(yōu)越等特點，被廣泛應(yīng)用于高層和超高層建筑以及橋梁結(jié)構(gòu)中。我國針對鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點抗震性能的研究已經(jīng)開展數(shù)十年，已經(jīng)取得豐碩的研究成果、理論及研究方法[1]。現(xiàn)有研究多為平面節(jié)點受平面內(nèi)地震作用的研究，對于空間節(jié)點的抗震性能研究還較少。樊健生等[2]完成了3個方鋼管混凝土柱-組合梁節(jié)點在雙向荷載作用下的試驗研究。研究表明，與平面節(jié)點相比，空間節(jié)點在雙向荷載作用下，承載力降低超20%，延性降低超10%。

為研究鋼管混凝土柱空間節(jié)點的抗震性能，本文建立了4個鋼管混凝土柱-鋼梁角節(jié)點有限元模型，研究在不同加載方式下節(jié)點的抗震性能。

2 有限元模型

2.1節(jié)點設(shè)計

本文在某現(xiàn)有框架結(jié)構(gòu)建筑基本尺寸的基礎(chǔ)上，選取該建筑角柱節(jié)點，柱高取2000mm，梁長度取1500mm，方鋼管混凝土柱與H型鋼梁間的連接采用由日本學(xué)者[3]提出的拼接式外環(huán)板，連接方式為焊接，鋼材采用Q355級鋼，核心混凝土強度等級為C50，并按楊鍇提出的“梁柱混合鉸”屈服機制，控制柱梁強度比在1.1以上，控制梁柱剛度比在1-4范圍內(nèi)[4]。試件詳細尺寸如圖1所示，設(shè)計柱梁強度比1.25，梁柱剛度比為1.29。控制加載方式分為4種，加載方式1（0°柱端加載，指柱端位移荷載平行于y向梁）;加載方式2（45°柱端加載，柱端位移荷載與x向梁及y向梁成45°角）;加載方式3（梁端施加反向位移荷載）;加載方式4（梁端施加同向位移荷載）。

2.2 有限元模型

根據(jù)設(shè)計尺寸運用有限元軟件Abaqus建立三維實體模型，單元類型為C3D8R，運用Abaqus中的綁定約束模擬焊接，方鋼管壁與核心混凝土采用面-面接觸屬性定義，切向采用罰函數(shù)摩擦，摩擦系數(shù)取0.6，徑向采用“硬”接觸，采用彈性模量無限大、泊松比無限小的彈性體模擬加載端板，彈性模量為20000Gpa，泊松比為1E-5。

2.3 材料本構(gòu)

梁、柱及外環(huán)板鋼材標(biāo)號為Q355，本構(gòu)采用雙折線隨動強化模型，并考慮在往復(fù)荷載作用下的包辛格效應(yīng)，屈服強度fy為355MPa，彈性模量為206Gpa，泊松比為0.3，強化段模量為彈性模量的0.01倍。混凝土采用Abaqus提供的塑性損傷模型，強度等級為C50，fc為40.1Mpa，ft為3.0Mpa，彈性模量為34500MPa，泊松比為0.2。鋼管內(nèi)核心混凝土受壓采用劉威[5]提出的適用于有限元模擬的核心混凝土本構(gòu)模型，受拉采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中建議的單軸受拉本構(gòu)模型。

2.4 邊界條件及加載制度

JD-1、JD-2柱底鉸接、約束x、y、z方向平動，x向梁約束y、z方向平動，y向梁約束x、z方向平動，JD-1在柱頂施加平行于y向梁的位移荷載，JD-2在柱頂施加與x向梁和y向梁夾角為45度的位移荷載;JD-3、JD-4柱底與柱頂鉸接，x向梁約束y向平動，y向梁約束x向梁平動。柱端及梁端加載均采用位移控制加載，以層間位移角為控制變量，層間位移角分別為0.0025、0.005、0.0075、0.01、0.0125、0.015、0.0175、0.02、0.03、0.04、0.05，每級循環(huán)兩圈。

3 模擬結(jié)果分析

研究不同加載方式下鋼梁-鋼管混凝土角柱節(jié)點抗震性能研究，主要從破壞形態(tài)、滯回曲線、骨架曲線、剛度退化、耗能等性能指標(biāo)分析其抗震性能。

3.1 破壞形態(tài)

觀察不同節(jié)點的破壞形態(tài)，JD-1與JD-2加載過程中，柱腳位置先達到屈服，隨著加載的繼續(xù)，與加強環(huán)連接處的柱端、加強環(huán)及粱翼緣先后出現(xiàn)屈服，最后屈服區(qū)域擴展到梁腹板。JD-1應(yīng)力及變形圖如圖2（a）所示，由于加載平行于y向梁，因此x向梁應(yīng)力遠小于y向梁，通過圖2（b），JD-2相比JD-1，節(jié)點域上方鋼管混凝土柱鼔曲明顯。JD-3及JD-4加載過程中，粱翼緣與加強環(huán)邊界位置首先出現(xiàn)屈服，隨著加載的繼續(xù)進行，加強環(huán)與柱邊界位置、鋼管混凝土柱核心區(qū)先后達到屈服，最后階段梁翼緣屈服逐步擴展到梁腹板。對比JD-3與JD-4應(yīng)力及變形圖，JD-4梁端應(yīng)力更大，其梁腹板破壞更加明顯。綜上，加載方式1由于單梁承受大部分反力，因此加載方式對節(jié)點應(yīng)力及變形影響明顯，相比45度加載，0度加載更容易造成應(yīng)力集中，更不利于抗震;梁端加載時由于一個方向加載時會給予另一端梁往另一方向偏移的趨勢，因此梁端同向加載相比梁端反向加載梁端應(yīng)力更大，更不利于抗震。

3.2滯回曲線

試件有限元模擬彎矩M-轉(zhuǎn)角θ滯回曲線如圖3所示。通過觀察，所有試件滯回曲線均為飽滿的“梭形”，說明所有試件均具有良好的耗能能力。加載初期，試件處于彈性階段，荷載與位移呈線性關(guān)系，隨著荷載的增大，試件逐漸進屈服，所有試件均未出現(xiàn)下降趨勢，說明具有良好的塑性變形能力。對比節(jié)點JD-1與JD-2，滯回曲線形狀相似，說明角柱節(jié)點柱端加載時，加載角度對節(jié)點滯回性能影響不大;對比JD-3與JD-4，JD-4滯回曲線更加飽滿，說明梁端加載時，加載方向?qū)?jié)點滯回性能影響較大。觀察JD-3與JD-4，兩個節(jié)點x向梁與y向梁具有相似的破壞形態(tài)及滯回性能，后文中JD-3與JD-4均選取x向梁作為分析對象。

3.3 骨架曲線

將試件加載至第一循環(huán)峰值荷載與對應(yīng)的位移的比值定義為試件的初始剛度Ke，根據(jù)Slope factor method方法[6]分別以1/3Ke、1/6Ke為斜率的直線相切試件骨架曲線，將兩者交點分別定義為試件的屈服點及塑性點。

不同加載方式下鋼管混凝土角柱節(jié)點的骨架曲線如圖4所示，JD-1至JD-4的屈服荷載分別為214.10KN·m、219.42KN·m、130.59KN·m、150.33KN·m，相比JD-1，JD-2的屈服荷載增加了2.49%，相比JD-3，JD-4的屈服荷載增加了15.12%;JD-1至JD-4的塑性荷載分別為235.33 KN·m、236.48KN·m、141.87KN·m、157.53KN·m，相比JD-1，JD-2的塑性荷載增加了0.49%，相比JD-3，JD-4的塑性荷載增加了11.03%。可以看出，柱端加載時，不同的加載角度對節(jié)點的承載力影響不大;梁端加載時，不同加載方向?qū)?jié)點承載力影響較大;相比梁端加載與柱端加載，柱端加載承載力更高。

4 結(jié)論

通過分別對鋼管混凝土角柱節(jié)點柱端加載方向0°、柱端加載方向45°、梁端反向加載、梁端同向加載等4個不同加載方式的力學(xué)性能進行分析比較，得出如下結(jié)論：

（1）加載方式對節(jié)點的應(yīng)力及破壞形態(tài)影響較大，相比柱端45度加載，柱端0度加載更容易造成應(yīng)力集中，更不利于抗震;梁端同向加載相比梁端反向加載梁端應(yīng)力更大、梁端破壞現(xiàn)象更明顯，更不利于抗震。

（2）所有試件滯回曲線均為飽滿的“梭形”，具有良好的抗震耗能能力，柱端加載時，不同加載角度對試件滯回性能影響不大;梁端加載時，不同加載方式對試件滯回性能有一定影響。

（3）柱端加載時，0°與45°方向加載對節(jié)點的承載力影響不大;梁端加載時，梁端加載方向的不同對節(jié)點承載力影響較大。

參考文獻：

[1]韓林海.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)：理論與實踐[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

[2]樊健生，周慧，聶建國，李全旺.雙向荷載作用下方鋼管混凝土柱-組合梁空間節(jié)點抗震性能試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2012， 33（06）：50-58.

[3]周慧.空間組合節(jié)點抗震性能試驗研究與理論分析[D].清華大學(xué)，2011.

[4]Yoshizato J， Nakamura Y， Kuromatsu J， et al. Experimental study on SHS column to H-beam connection with exterior plate diaphragms// Annual meeting Architectural Institute of Japan， StructuresⅡ Tokyo， 1994：1417

[5]楊鍇.基于梁柱剛度比、柱梁強度比對框架結(jié)構(gòu)破壞模式的影響研究[D].重慶大學(xué)，2015.

[6]劉威. 鋼管混凝土局部受壓時的工作機理研究[D].福州大學(xué)，2005.Beedle， L. S.，

[7]Beedle， L. S.， Topractsologlou， A. A.， and Johnston， B. G ： Connection for welded continuous portal frames （part III Discussion of test results and conclusions）， Progress report No.4， The Welding Journal， 543-s-560-s， Nov.， 1952.