SRC柱—鋼梁混合節點受力性能參數分析

李光輝 何毅

摘要 作為一種新型建筑結構體系，型鋼混凝土結構在強度、承載力等方面明顯優于普通RC結構，具有良好的受力性能。在地震當中，很多建筑物的倒塌是由于節點連接處破壞嚴重，說明節點正常工作是保證整個結構安全的重要前提。影響節點受力性能的因素有很多，在實驗室條件下完成多種參數的影響分析費時費力。文章通過對比試驗數據和有限元軟件模擬結果可知，二者吻合良好，在此技術上進行節點參數分析，綜合考慮了型鋼強度、混凝土強度和樓板寬度等4組參數對于節點受力性能的影響。結果表明，混凝土板厚度和型鋼強度對于節點受力性能影響較大。

關鍵詞 SRC柱—鋼梁混合節點；數值模擬；參數分析

中圖分類號 TP274.52文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）23-0130-03

0 引言

目前國內外對型鋼混凝土柱—鋼梁（SRC柱—鋼梁）節點形式的研究較少。該文選用H形配鋼形式的中節點，通過有限元模擬試驗，對節點尺寸、邊界條件、材料本構進行一一敘述，將試驗結果與數值分析對比，驗證模型的適用性，在此基礎上改變參數分析不同因素對節點承載力的影響，為型鋼混凝土組合結構應用到工程實踐提供依據。

1 建立有限元模型

1.1 混凝土本構模型

混凝土本構模型采取《混凝土結構設計規范》（GB50010—2010）建議的混凝土單軸受壓和受拉應力—應變關系曲線，根據上述方法和材性試驗測得結果^[1]可以得到如表1所示模型參數值。

利用Abaqus軟件分析時，混凝土塑性損傷模型有5個材料參數需要設定，其中，σ_b0/σ_c0和K_C的取值用來決定屈服面在平面應力及偏平面上的形狀，膨脹角和偏移值用來定義子午面上雙曲線流動勢能面的形狀，黏性系數μ的取值大小可能由應變軟化導致的分析是否可以收斂決定，默認值為0，黏性系數越大，表明材料性質較硬，黏性系數小，計算結果較接近真實情況，但容易導致計算不收斂^[2]，參數建議取值如表2所示。

1.2 鋼材本構

采用Abaqus軟件中彈塑性模型定義型鋼柱、鋼梁、加勁肋、箍筋和縱筋的材料本構。結合試驗值將鋼材本構設為雙折線模型^[3]，采用Mises屈服準則，強化準則采用的是隨動強化準則，模型假定流動勢面函數與屈服面函數相同，且認為拉壓彈性模量相同，鋼材屈服后彈性模量E′=0.01Es，應力—應變關系仍為線性，泊松比均取0.3^[4]。鋼材數據如表3所示。

1.3 單元選取及網格劃分

采用分離式型鋼混凝土建模方式建立模型，即通過對不同部件選用不同的單元。混凝土基于減縮積分的原理，采用八節點六面體線性減縮積分三維實體單元C3D8R，線性減縮積分單元比完全積分單元的計算結果更加精確；對于樓板內部配筋和混凝土柱配筋，將其假定為只能受拉荷載作用的桁架單元，采用二節點三維Truss單元T3D2，輸出變量為軸向的應力和應變，有時還用來代表其他單元里的加強構件，所以柱內和板中的鋼筋就利用了桁架單元模擬；型鋼建模時，考慮方便組裝構件等問題，采用四節點減縮積分格式的三維殼單元S4R，優點在于結構的內部不占空間體積并且可以忽略厚度方向上的應力，后續通過編輯界面賦予殼厚度，即完成建模^[5]。網格的劃分直接影響計算結果的收斂性和精確性。網格劃分過于稀疏，計算單元減少，耗時短，但往往引起計算結果誤差較大。網格劃分過密，計算單元多，耗時長，容易發生不收斂的問題。該文經過多次嘗試，對比計算結果的基礎上，選用網格尺寸為50 mm。

1.4 加載方式

梁端加載面取250 mm，通過在平面外建立參考點，并將參考點與加載面耦合，兩側參考點施加反對稱位移。取單調加載時單位梁端豎向位移δ作為位移加載控制初始級數，位移級數分為1δ、2δ、3δ、4δ、5δ、6δ，每一位移等級循環三次。構件詳細配筋如表4所示。

2 有限元模型驗證

在有限元分析過程中，混凝土板損傷最早出現在板柱交接區域并向外擴展，最后板中間區域混凝土均達到最大損傷因子，可以視為破壞。鋼梁下翼緣處出現大面積的塑性區域，這些均與試驗現象相符。

由SRC柱—鋼梁節點試驗和有限元軟件骨架曲線、模擬滯回曲線對比結果可見，有限元計算結果和試驗趨勢大體一致。骨架曲線中，在正負彎矩作用下，試驗與模擬的彈性階段差別不大。但正彎矩作用下，有限元模擬骨架曲線一直上升，與試驗結果有所出入，負彎矩作用下峰值荷載也有些區別。正負彎矩作用下的極限位移和極限荷載差別不大。造成以上偏差的主要原因在于，試驗中所用到的混凝土構件在澆筑混凝土養護結束后，因振搗不夠密實、養護不夠到位，造成混凝土內部產生細微的裂縫、孔洞，對混凝土的力學性能產生了負面影響。在低周往復荷載作用下，混凝土板帶裂縫工作并不斷地開裂、閉合，這一力學行為較復雜，且受很多因素影響制約。僅通過有限元模擬建立混凝土塑性損傷模型，不能十分準確地還原出混凝土在正負彎矩作用下的損傷和受力狀態。并且在實際試驗中，是通過抗剪栓釘傳力的方式將混凝土板與鋼梁有效連接。而有限元模擬則是通過將接觸面綁定約束的形式實現，與實際情況不完全相同，造成結果出現偏差。加載開始前，構件柱頂和柱底與試驗裝置并非剛性連接，會不可避免地出現滑移現象，與之相比，有限元建模的加載方式趨于理想化，沒有考慮實際滑移對最終結果的影響。有限元模擬是通過合并命令組裝鋼梁和型鋼柱，在型鋼骨架焊接中產生殘余應力，也會對結果產生影響。

綜上所述，試驗與數值分析結果較為相似，使用Abaqus 軟件模擬SRC柱—鋼梁節點受力性能可信度較高。

3 節點參數分析

基于前文已經驗證的Abaqus在研究SRC柱—鋼梁節點基礎上的可靠性，現通過該軟件分別選取五組參數對節點進行參數分析，即混凝土強度、鋼梁高度、樓板厚度、型鋼強度、樓板寬度，研究探討在不同參數的影響下，SRC柱—鋼梁節點受低周往復荷載作用時受力性能的不同表現。分析調整不同參數后，節點極限狀態型鋼滯回曲線、剛度退化的變化。參數取值如表5所示。

3.1 混凝土強度

通過模擬結果可以得出：采用不同強度的混凝土對節點承載力的影響并不大，這是因為混凝土強度的增加與抗拉能力的增加并不成線性關系，且抗拉能力均較低，混凝土強度越高，在壓潰之前使得鋼材強度發揮得比較充分，作用較為明顯，但混凝土破壞后，滯回曲線影響不大。位移20 mm之前，提高中節點混凝土強度對剛度退化曲線有一定影響，之后三條剛度退化曲線趨于一致，主要因為混凝土抗拉強度低，隨著循環次數的增加，破壞嚴重，逐漸退出工作。

3.2 型鋼強度

通過模擬結果可以得出：節點的初始剛度受鋼材強度的影響較小，造成彈性階段范圍內，滯回曲線的斜率幾乎不變。隨著后續循環加載，對于兩種節點形式，節點承載力與型鋼強度成正相關。因此，提高型鋼強度可顯著提高節點承載力。使用Q390鋼材的節點剛度始終最大。位移較小階段，Q235鋼材剛度退化速率稍快，之后三條曲線下降速率相似，位移較大時，Q390鋼材剛度退化速率加快，最終剛度退化曲線相差較小。

3.3 鋼梁高度

通過模擬結果可以得出：節點承載力及滯回性能隨著鋼梁高度的增加產生顯著變化。隨著鋼梁高度的增加，節點的初始剛度增大，梁端加載時，轉動力臂增大，在一定范圍內，提高了節點的承載力。兩種節點梁高增大，剛度也有所增大。位移較小時，梁高234 mm的節點剛度退化較快，之后四條曲線下降速率比較接近，最終剛度退化曲線相差不大。

3.4 混凝土板厚度

通過模擬結果可以得出：彈性階段內，混凝土板厚度對節點剛度影響不大，節點的屈服強度隨板厚度增加而提高。在正彎矩作用下，兩種節點的承載力都得到了顯著提高，這是因為混凝土的抗壓強度遠大于抗拉強度，在正彎矩作用下，混凝土板主要受壓，混凝土板抗壓性能隨著樓板厚度的增加而增強，從而提高了節點的承載力。在負彎矩作用下，隨著樓板厚度增加，板中受力鋼筋的高度發生變化，影響了組合梁截面的中和軸高度。節點板厚從100 mm增大到120 mm承載力提高的幅度較大。節點剛度退化趨勢大致為線性退化。位移較小階段，120 mm板厚的節點剛度最大，剛度退化也最快。隨著梁端位移加載的增大，三條曲線的剛度退化速率逐漸接近，但節點樓板厚120 mm的剛度仍然最大。

3.5 樓板寬度

通過模擬結果可以得出：從應力分布圖來看，400 mm板寬節點型鋼應力和其余三種情況差別明顯，板寬從800 mm變化到1 200 mm時，型鋼應力分布幾乎沒有變化。混凝土板寬從400 mm增加到800 mm時，滯回曲線面積變大，節點承載力明顯提高。當從800 mm增加到1 200 mm時，幾乎沒有變化。可能原因在于樓板有效寬度在400～800 mm之間，超過樓板有效寬度以后，節點的承載力受板寬影響較小。樓板寬度400 mm的節點剛度始終小于其他三種板寬，且三種板寬的剛度退化曲線幾乎沒有差別。

4 結論

（1）因混凝土抗拉能力較弱，混凝土強度提高對節點承載力幾乎無影響。

（2）Q345鋼與Q235鋼相比，節點的承載力提高明顯，達到極限應力狀態時殘余剛度較大。Q390鋼相比于Q345鋼承載力提高的幅度不大。

（3）鋼梁高度的增加使得節點初始剛度和承載力都有提高，但核心區腹板最大應力相應增加，對節點穩定性產生不利影響。

（4）混凝土板厚度的增加可以有效提高節點承載力，但也造成了鋼梁下翼緣塑性區域面積增大，對節點穩定性產生不利影響。

（5）樓板寬度對節點承載力的影響有一個有效寬度的范圍，超過這個值，樓板寬度增加對于節點承載力提高有限。

（6）該文建模過程中，沒有考慮型鋼與混凝土的黏結滑移影響，對抗剪連接件進行了簡化，將樓板與鋼梁綁定，造成了模擬結果理想化，這些都需要進一步優化，以求得更加貼合工程實際的有限元模型。

（7）該文選用的參數有限，沒有考慮樓板配筋率、鋼筋強度等因素對于節點抗震性能的影響。每組參數的取值較少，在今后的研究中，宜擴大影響因素的研究和參數值的選取。

參考文獻

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收稿日期：2023-08-10

作者簡介：李光輝（1993—），男，研究生，工程師，從事高速公路技術管理工作。