新型輕鋼結(jié)構(gòu)加層節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)研究及有限元分析

趙少偉，丁彥芳，郭 蓉，李潤斌

（1.河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300401；2.河北省土木工程技術(shù)研究中心，天津 300401）

加層結(jié)構(gòu)具有有效提高單位土地面積住房的容積率[1]、緩解城市建筑用地緊張、增加房屋建筑面積、施工周期短以及減少拆遷和征地費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)，因此加層改造被大量用于城市舊樓的改造中，而目前加層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及施工無相關(guān)規(guī)范進(jìn)行指導(dǎo)，加層結(jié)構(gòu)的研究多處于可行性及模型分析上[2].1999年，王燕[3]等人采用振型分解反應(yīng)譜法分析了高振型影響情況下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)；2001年，崔艷秋等[4]系統(tǒng)地介紹了一些輕鋼加層在實(shí)際工程中的適用性和合理性，研究了在設(shè)計(jì)加層結(jié)構(gòu)過程中應(yīng)該注意的一些問題以及可以使用的計(jì)算方法；2002年，朱麗華[5]闡述了輕鋼結(jié)構(gòu)加層中節(jié)點(diǎn)的相關(guān)處理問題，為輕鋼結(jié)構(gòu)加層設(shè)計(jì)以及節(jié)點(diǎn)處理的合理性提供了參考；駱甜[6]指出了多層鋼混框架結(jié)構(gòu)在加層之后，建筑物整體的剛度、質(zhì)量、阻尼比等均不同程度上發(fā)生了改變；2006年，吳培成[7]等人分析了加層結(jié)構(gòu)的阻尼分布規(guī)律.2012[8]年趙磊以中色東方集團(tuán)有限公司原有的研發(fā)中心建筑為實(shí)例進(jìn)行了鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)加層的分析；2013年，褚云朋[9]等探討了某鋼框架加層房屋的動靜力學(xué)性能；由于模擬分析是基于大量的假定基礎(chǔ)上作出的，使用到實(shí)際結(jié)構(gòu)中還存在著諸多不可確定的因素.因此，為滿足研究輕鋼結(jié)構(gòu)加層節(jié)點(diǎn)抗震性能與設(shè)計(jì)方法的需要，在本試驗(yàn)中，設(shè)計(jì)了4個輕鋼加層不同連接形式節(jié)點(diǎn)試件，所有構(gòu)件均為在原有的混凝土頂層節(jié)點(diǎn)上通過化學(xué)植筋的方法加入工字鋼形的鋼柱.新加鋼柱與原有混凝土節(jié)點(diǎn)的連接形式不同，其連接形式分別為：傳統(tǒng)植筋節(jié)點(diǎn)、碳纖維強(qiáng)化節(jié)點(diǎn)、鋼板加固節(jié)點(diǎn)[10]，通過擬靜力試驗(yàn)研究得出，3種節(jié)點(diǎn)形式中鋼板加固節(jié)點(diǎn)的抗震性能最優(yōu)，故本文在鋼板加固節(jié)點(diǎn)擬靜力試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，利用ANSYS有限元進(jìn)行模擬分析，并且利用軟件建立鋼板碳纖維加固節(jié)點(diǎn)有限元模型，分析此種節(jié)點(diǎn)的破壞特征、承載能力、延性性能、耗能能力等抗震性能.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

鋼板加固節(jié)點(diǎn)照片如圖1所示，試件尺寸及配筋如圖2所示.

下部混凝土T形構(gòu)件采用C30混凝土，梁柱主筋采用HRB400級鋼筋，箍筋采用HRB235級鋼筋，植筋采用HRB400級20鋼筋.

1.2 加載裝置及加載制度

試驗(yàn)采用梁端施加豎向低周反復(fù)加載方式，試件柱上下端為鉸接形式，兩端為自由端，加載示意圖如圖3所示.加載制度采用力-位移混合控制加載，如圖4所示.

圖1 鋼板加固節(jié)點(diǎn)Fig.1 Node strengthened with steel plate

2 抗震試驗(yàn)性能分析

2.1 滯回曲線

圖5為鋼板加固節(jié)點(diǎn)在低周反復(fù)荷載作用下的滯回曲線，具有以下特征：1）從試件開裂至屈服期間，由于裂縫的開展，滯回環(huán)包圍的面積逐漸增大；2）當(dāng)節(jié)點(diǎn)屈服以后，加載由力控制變?yōu)槲灰瓶刂?，梁端鋼筋屈服，塑性鉸已經(jīng)形成，隨著位移的增大及循環(huán)次數(shù)的增加，試件裂縫逐漸增多且開展速度加快，滯回環(huán)包圍的面積也逐漸增大，位移增長的速度逐漸高于加載速度，剛度出現(xiàn)退化；3）隨著位移的增加，試件的滯回環(huán)面積迅速增大，表現(xiàn)出節(jié)點(diǎn)的耗能逐漸增大.但是同級位移下的循環(huán)加載中，后2次循環(huán)荷載較第1次低，試件出現(xiàn)強(qiáng)度退化現(xiàn)象.由于節(jié)點(diǎn)梁端裂縫的迅速開展，鋼筋相對混凝土出現(xiàn)了滑移現(xiàn)象，滯回環(huán)出現(xiàn)捏縮現(xiàn)象，滯回曲線呈弓型；4）位移控制加載后期，節(jié)點(diǎn)梁端塑性鉸進(jìn)一步發(fā)展，各節(jié)點(diǎn)滯回環(huán)所包絡(luò)的面積增大，表現(xiàn)出構(gòu)件的耗能能力越來越強(qiáng).

圖2 試件尺寸與截面配筋（單位：mm）Fig.2 Dimensions of specimens sections and reinforcement（unit：mm）

2.2 骨架曲線

將低周反復(fù)荷載試驗(yàn)所得的每一個卸載點(diǎn)（同級位移取首次循環(huán)的卸載點(diǎn)）連接形成的曲線稱為骨架曲線.結(jié)構(gòu)的骨架曲線與相應(yīng)單調(diào)加載的 -曲線相似，其是判斷構(gòu)件極限承載力大小以及延性優(yōu)劣的重要指標(biāo).剛板加固節(jié)點(diǎn)的骨架曲線如圖6所示.

3 有限元模擬分析

3.1 單元模型

圖3 加載示意Fig.3 The test loading schematic

節(jié)點(diǎn)模型選用了 Solid65單元對混凝土進(jìn)行模擬，Solid45單元對型鋼柱中鋼板進(jìn)行了模擬，Link8單元對鋼筋進(jìn)行了模擬，Shell41單元對加固鋼板進(jìn)行了模擬.

圖4 加載制度Fig.4 Regimen of test loading

圖5 滯回曲線Fig.5 Hysteretic curve

圖6 骨架曲線Fig.6 Skeleton curve

3.2 材料本構(gòu)模型

圖7為有限元模型中材料的本構(gòu)模型.因?yàn)锳NSYS對于混凝土本構(gòu)關(guān)系曲線中下降段識別度低，且不利于分析過程的收斂本構(gòu)關(guān)系（如圖7a）所示）；鋼筋選擇了理想彈塑性模型（如圖7b）所示）；加固鋼板使用雙線性隨動強(qiáng)化模型（如圖7c）所示）.

圖7 材料本構(gòu)模型Fig.7 Constitutive model of materials

3.3 模型的建立與求解設(shè)置

本文中所建ANSYS模型如圖8所示.

圖8 鋼板加固節(jié)點(diǎn)ANSYS模型Fig.8 ANSYS Model of strengthened with steel plate

模型建立完成后，對模型混凝土梁底部的剛性墊塊施加3個方向上的線約束來模擬模型底部的鉸接，剛性墊塊的厚度為20 mm.

對模型加載使用的是位移控制法，加載步驟為：第1步，在模型型鋼柱頂部鋼板上施加面荷載的大小和實(shí)際試驗(yàn)中施加的軸力相等；第2步，將型鋼頂部鋼板沿 軸方向的2個平面設(shè)置為鉸接連接，保持和實(shí)際試驗(yàn)中一致；第3步，在模型混凝土柱下部剛性墊塊上施加鉸接連接；第4步，在梁兩端的剛性墊塊上耦合的點(diǎn)上施加延Y方向的反復(fù)荷載.

3.4 計(jì)算結(jié)果的后處理及與試驗(yàn)結(jié)果的對比

經(jīng)過建模，加載，求解，得到如圖9所示滯回曲線.

由圖9可以看出：有限元分析和試驗(yàn)所得鋼板加固節(jié)點(diǎn)滯回曲線形狀較為相似，總體看來，有限元模型滯回曲線與試驗(yàn)值吻合較好.

圖9 鋼板加固節(jié)點(diǎn)滯回曲線Fig.9 The hysteretic curve of the node strengthened with steel plate

4 鋼板碳纖維加固節(jié)點(diǎn)的有限元分析

通過上述試驗(yàn)結(jié)果與ANSYS理論分析結(jié)果的對比，不難看出，用ANSYS模擬輕鋼結(jié)構(gòu)加層節(jié)點(diǎn)的抗震性能是可行的.因此本文提出利用ANSYS分析一種新型的節(jié)點(diǎn)形式——鋼板碳纖維加固節(jié)點(diǎn)模型，通過該模型在低周反復(fù)荷載作用下的抗震性能進(jìn)行非線性有限元全過程分析，分析鋼板碳纖維加固節(jié)點(diǎn)的抗震性能.

4.1 模型的建立

模型建立時選用的單元與鋼板加固節(jié)點(diǎn)相同，只是增加了Plane42單元，其中Shell41單元用于加固鋼板以及加固碳纖維布的建立；Plane42單元用于在實(shí)體單元建立時過渡單元的建立.

對于新出現(xiàn)的加固碳纖維單元實(shí)常數(shù)中厚度選項(xiàng)設(shè)為0.334.本文選用的是高強(qiáng)Ⅰ級加固碳纖維布，厚度為0.167mm，在給構(gòu)件進(jìn)行加固的過程中，用碳纖維布對構(gòu)件進(jìn)行兩次纏繞加固，故其實(shí)際厚度為0.167×2=0.334（mm）.

ANSYS所建鋼板碳纖維加固節(jié)點(diǎn)模型如圖10所示.

圖10 鋼板碳纖維加固節(jié)點(diǎn)ANSYS模型Fig.10 The model of ANSYS strengthened with steel plate and carbon fiber

4.2 鋼板碳纖維加固節(jié)點(diǎn)模型的受力分析

鋼板碳纖維加固節(jié)點(diǎn)加載方式同鋼板加固節(jié)點(diǎn).經(jīng)過低周反復(fù)荷載試驗(yàn)?zāi)M后，得到的鋼板加固節(jié)點(diǎn)模型和鋼板碳纖維加固節(jié)點(diǎn)模型如圖11所示.

4.2.1 滯回曲線的比較

圖11 節(jié)點(diǎn)模型Fig.11 The model of points

通過對上述2個模型進(jìn)行分析得出滯回曲線如圖12所示，對其進(jìn)行比較，可以看到這2個模型所得到的滯回曲線均為Z形滯回曲線.也就是這2個模型的耗能能力都不是很強(qiáng).從圖中可以明顯地看出，鋼板碳纖維加固節(jié)點(diǎn)模型滯回曲線所包圍的面積要大于鋼板加固節(jié)點(diǎn)模型所對應(yīng)的滯回曲線所包圍的面積.通過表1可以得出結(jié)論：鋼板碳纖維加固節(jié)點(diǎn)模型在低周反復(fù)荷載作用下耗能能力要強(qiáng)于鋼板加固節(jié)點(diǎn)模型.

表1 等效粘滯阻尼系數(shù)對比Tab.1 The comparison of equivalent viscous damping coefficient

圖12 滯回曲線Fig.12 The hysteretic curve

4.2.2 骨架曲線的比較

經(jīng)過低周反復(fù)加載試驗(yàn)后，2模型所得到的骨架曲線如圖13.

由圖13可看到鋼板加固節(jié)點(diǎn)模型和鋼板碳纖維加固節(jié)點(diǎn)模型經(jīng)過相同的低周反復(fù)荷載試驗(yàn)后所得到的骨架曲線較為相似.通過圖13和表2可以看出：鋼板碳纖維加固相對于鋼板加固對于屈服位移和屈服荷載以及極限位移和極限荷載有提高，但是提高程度并不顯著.

表2 位移和荷載對比Tab.2 The comparison of displacement and load

圖13 骨架曲線對比Fig.13 The comparison of skeleton curves

4.2.3 延性系數(shù)的比較

節(jié)點(diǎn)或者構(gòu)件中某截面從屈服開始，達(dá)到最大承載力或者達(dá)到后承載力沒有產(chǎn)生明顯下降這一期間內(nèi)所具備的變形能力，就是延性.延性系數(shù)可以用來反映構(gòu)件所具有的延性能力，表3為延性系數(shù)的對比.

通過對表3的分析可以得知，相對于鋼板加固節(jié)點(diǎn)，鋼板碳纖維加固節(jié)點(diǎn)延性系數(shù)提高了7.9%，說明鋼板碳纖維對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加固可以提升節(jié)點(diǎn)的延性.

5 結(jié)論

1）通過對比鋼板加固節(jié)點(diǎn)有限元分析和試驗(yàn)分析時所得的滯回曲線表明：ANSYS分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，說明所建有限元模型真實(shí)有效，基本能夠反映出實(shí)際構(gòu)件的受力性能.

表3 延性系數(shù)對比Tab.3 The comparison of ductility coefficient

2）鋼板加固節(jié)點(diǎn)和鋼板碳纖維加固節(jié)點(diǎn)的有限元分析結(jié)果對比表明：在低周反復(fù)荷載作用下，2個節(jié)點(diǎn)的滯回曲線均呈現(xiàn)弓形，說明其抗震性能較差.

3）等效粘滯阻尼系數(shù)對比可以看出：鋼板碳纖維加固節(jié)點(diǎn)的耗能能力相對于鋼板加固節(jié)點(diǎn)提高幅度大于7%.

4）骨架曲線比較分析可以看出：在低周反復(fù)荷載作用下，相對于鋼板加固節(jié)點(diǎn)，鋼板碳纖維加固節(jié)點(diǎn)屈服位移和屈服承載力以及極限位移和極限承載力的提高作用不是很明顯.

5）相對于鋼板加固節(jié)點(diǎn)，鋼板碳纖維加固節(jié)點(diǎn)的延性系數(shù)提高了7.9%，說明碳纖維布進(jìn)行加固可以提高節(jié)點(diǎn)的延性性能.

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