基于梁柱節(jié)點性能的鋼竹組合框架結(jié)構(gòu)地震反應分析

李玉順++何佳偉++張家亮++許科科++杜永飛??

摘要：為研究鋼竹組合框架中連接鋼竹組合柱和鋼竹組合梁的節(jié)點性能，通過擬靜力試驗得到不同參數(shù)下半剛性節(jié)點的彎矩與轉(zhuǎn)角的多項式擬合關(guān)系，在此基礎(chǔ)上建立了6榀2層鋼竹組合框架的數(shù)值模型，進行了地震作用下的有限元分析，探討了節(jié)點對鋼竹組合結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。為充分考慮節(jié)點的半剛性特性，采用Combin39非線性彈簧單元模擬節(jié)點，研究了6榀框架在不同情況下的最大水平位移與最大基底剪力、水平位移與基底剪力時程曲線和滯回曲線等指標。結(jié)果表明：鋼竹組合框架滯回曲線飽滿，抗震性能突出，提高節(jié)點處螺拴的強度和設置加勁肋對提高鋼竹組合框架的抗震性能有明顯效果，節(jié)點的構(gòu)建因素對框架的抗震性能有顯著影響。

關(guān)鍵詞：鋼竹組合梁柱節(jié)點；鋼竹組合框架；有限元模型；地震波；抗震性能

中圖分類號：TU398文獻標志碼：A

0 引 言

竹材是一種重要的豐產(chǎn)林業(yè)資源，具有綠色環(huán)保、生長周期短、力學性能優(yōu)良等特點，經(jīng)現(xiàn)代技術(shù)可將原始竹材加工成各種規(guī)格的人造竹材板，擴大了竹材的應用范圍[12]。冷彎薄壁型鋼作為一種輕質(zhì)、高效、經(jīng)濟的新型型材，在各國工程界的應用日趨廣泛[3]。在實踐中，使用人造竹材板難以制造具有復雜截面的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，而薄壁型鋼容易發(fā)生局部屈曲和整體失穩(wěn)，導致2種材料應用范圍受限。寧波大學課題組提出了一種全新的鋼竹組合結(jié)構(gòu)體系[4]，通過合理的設計和特殊的結(jié)合方式，使2種材料共同工作，既發(fā)揮了各自的優(yōu)勢，又拓寬了兩者的應用前景。近年來，寧波大學課題組致力于鋼竹組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件的研究，對組合柱[57]、組合梁[810]、組合樓板[1113]、組合墻體[1416]等主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行了研發(fā)試驗，對鋼竹界面粘結(jié)滑移進行了研究[1718]。研究表明：鋼竹組合構(gòu)件具有良好的組合效應和較高的承載能力，可作為主要受力構(gòu)件應用于實際工程。

目前，寧波大學課題組已對梁柱邊節(jié)點進行了相關(guān)研究，在此基礎(chǔ)上，本文對6榀框架數(shù)值模型進行了地震波作用下的有限元數(shù)值分析，探討了節(jié)點對鋼竹組合結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，對最大水平位移與最大基底剪力、水平位移與基底剪力時程曲線和滯回曲線等指標進行了研究?？紤]到鋼竹組合節(jié)點的連接屬于半剛性連接[1920]，本文采用非線性彈簧單元進行模擬。

1 節(jié)點擬靜力試驗

1.1 試件制作

節(jié)點擬靜力試驗包含6個鋼竹組合梁柱邊節(jié)點試件，編號為J1～J6。組合柱為箱形截面，高1.8 m，截面尺寸為200 mm×200 mm；組合梁為工字形截面，長1.5 m，截面尺寸為160 mm×200 mm，如圖1所示。組合梁與組合柱通過節(jié)點相連，該節(jié)點由螺栓和T型鋼連接件（Q235鋼）構(gòu)成，連接件截面尺寸分為2種，分別為T166×150與T206×150。T型鋼連接件腹板與鋼竹組合梁通過4根或6根螺栓相連，翼緣與組合柱則通過4根螺栓連接?？紤]到鋼竹組合柱節(jié)點核心處的剪力均由節(jié)點處組合柱的結(jié)構(gòu)膠承受，為了提高梁柱節(jié)點的抗震性能和極限承載力，在組合柱節(jié)點處圍焊4塊鋼板形成鋼筒，并使其與T型鋼連接件翼緣進行連接[21]，如圖2所示。

Exterior Joint試件J1，J3，J5的T型鋼連接件截面尺寸為T166×150，腹板螺拴數(shù)目為4，螺栓強度等級依次增加；試件J2，J4，J6的T型鋼連接件截面尺寸為T206×150，腹板螺拴數(shù)目為6，螺栓強度等級同樣依次遞增。除試件J1，J2外，其余試件均設置節(jié)點加勁肋，節(jié)點擬靜力試件參數(shù)如表1所示。

1.2 試驗加載

節(jié)點擬靜力試驗在寧波大學建筑工程與環(huán)境學院土木工程實驗室進行。為研究鋼竹組合梁柱邊節(jié)點在反復荷載作用下的抗震性能及組合柱節(jié)點核心區(qū)的各項力學性能，忽略地震作用時樓層位置發(fā)生的水平位移。試驗時將組合柱兩端固定，上端與反力梁相連，下端則使用定制夾具固定。在組合梁端部，通過MTS電液伺服程控結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)施加低周反復荷載模擬地震作用力。同時，為模擬組合柱真實工況，通過千斤頂在組合柱上端施加30 kN的豎向荷載，荷載大小通過反力梁與千斤頂之間的傳感器進行控制。

1.3 試驗結(jié)果分析

節(jié)點擬靜力試驗結(jié)果顯示，由螺栓、T型鋼連接件及圍合鋼筒構(gòu)成的節(jié)點整體工作性能優(yōu)良，具有良好的剛度、強度、延性與耗能能力。通過對試驗結(jié)果的分析可獲得各個試件的節(jié)點彎矩M與轉(zhuǎn)角θ的關(guān)系曲線，對每一條曲線進行擬合可以得到Mθ的多項式，如表2所示。Mθ關(guān)系曲線對梁柱節(jié)點性能研究有重要的意義，不僅能夠反映節(jié)點連接半剛性的特性，而且能夠體現(xiàn)節(jié)點的抗震特性。

2 ANSYS有限元模型

2.1 材料模型的定義

在有限元模型定義中，采用MISO（雙線性等向強化模型）模擬冷彎薄壁型鋼，而竹膠板使用BISO（多線性隨動強化模型）進行模擬；型鋼的材料彈性模量取2.06×105 MPa，竹材為5.76×103 MPa；型鋼軸向拉伸試驗的屈服強度和極限強度分別取271.3×105 MPa和341.7 ×105 MPa，竹材則用多段折線簡化表示試驗的應力應變關(guān)系，按照多線性隨動強化模型輸入相應關(guān)鍵點的應力、應變值；兩者的泊松比均取為0.3，并忽略溫度對它們的影響。

2.2 單元類型的選擇

本文在對鋼竹組合框架進行整體抗震性能模擬時，忽略兩者間的界面滑移和框架的局部破壞。本文使用Beam189[22]單元建立梁、柱模型；考慮到連接梁和柱的節(jié)點具有半剛性的特點，選用Combin39單元來建立節(jié)點模型，因為這種具有轉(zhuǎn)動剛度的單元可以用于研究半剛性連接對組合框架力學性能的影響。

2.3 有限元模型尺寸的選擇

本文模擬的鋼竹組合梁、柱截面尺寸均與節(jié)點擬靜力試驗相同，截面尺寸如圖1所示。鋼竹組合框架的層高為1.5 m，跨度為3.0 m，如圖3所示。

2.4 有限元模型的建立

本文進行的是地震波作用下鋼竹組合框架的數(shù)值模擬。地震波作用下的模型需要在梁柱節(jié)點處創(chuàng)建Mass21單元，以便在動力分析時形成質(zhì)量矩陣來模擬結(jié)構(gòu)的慣性作用。本文一共建立了6個框架模型，編號為KJ1～KJ6，分別與6個節(jié)點的Mθ多項式相對應，其中框架模型KJi采用的節(jié)點形式與表1中試件Ji對應。建立鋼竹組合框架模型的具體步驟如下：

（1）選擇所需要的單元類型，如Beam189單元，同時對各單元的關(guān)鍵選項進行設置。

（2）定義所選單元的實常量，Combin39單元的實常量為6個節(jié)點模型所對應的Mθ多項式。Mass21單元的實常量為2 000 kg；Beam189單元的實常量不需要定義。

（3）建立點線模型并劃分網(wǎng)格，為便于研究，在節(jié)點處定義2個關(guān)鍵點，劃分網(wǎng)格后分別在柱上和梁上產(chǎn)生2個節(jié)點，梁柱網(wǎng)格的劃分仍然使用Beam189單元。

（4）建立彈簧單元，網(wǎng)格劃分后在4個節(jié)點處建立彈簧單元。

（5）施加所需約束，在框架的底端施加固端約束，約束其底部全部節(jié)點的所有自由度；本文結(jié)構(gòu)模型采用層間剪切型，故框架結(jié)構(gòu)的各樓層在振動過程中始終保持水平，其變形為層間錯動，各層的層間位移互不影響，具有相對獨立性。對于以剪切變形為主的結(jié)構(gòu)，通常可采用該類模型。本文耦合了每層全部節(jié)點x方向和z方向的位移；由于本文模擬的結(jié)構(gòu)屬于平面框架結(jié)構(gòu)，因此對全部節(jié)點均施加了x方向和z方向的轉(zhuǎn)角約束以及y方向的位移約束。

（6）選擇加載方案，本文采用地震波進行加載，動力分析選擇的地震波為El Centro波，如圖4所示。該波持續(xù)時間為30 s，時間步長為0.02 s，加速度峰值為3.12 m·s-2，采用命令流輸入，地震波作用下的有限元模型如圖5所示。

3 有限元分析結(jié)果

3.1 最大水平位移和最大基底剪力

圖6與圖7分別為各鋼竹組合框架的最大水平位移和最大基底剪力。從圖6可見，KJ1和KJ2的各層最大位移值比較接近，KJ3～KJ6的各層最大位移值比較接近，且KJ1和KJ2的各層最大位移值要大于KJ3～KJ6的各層最大位移值。由圖7可見，KJ3～KJ6的最大基底剪力大于KJ1和KJ2，這是由于KJ1和KJ2在節(jié)點處未設置加勁肋且未使用高強螺栓，導致框架整體剛度相對于KJ3～KJ6較小，故側(cè)移相對較大，承載力相對較小。圖6，7的最大水平位移和最大基底剪力正、反2個方向的值比較對稱，這表明鋼竹組合框架結(jié)構(gòu)良好的恢復力特性和抗震性能。

3.2 水平位移和基底剪力時程曲線

圖8和圖9分別為鋼竹組合框架的水平位移時程曲線和基底剪力時程曲線，反映了各框架水平位移和基底剪力隨時間的具體變化規(guī)律。

從圖8可以看出，KJ1和KJ2的位移變化趨勢一致，KJ3～KJ6的位移變化趨勢也一致，此外，各框架頂層和底層的位移反應趨勢基本相同，位移達到最大值的時刻基本相同，這正是地震作用最強烈的時刻[23]。

從圖9可以看出，各個框架的基底剪力時程曲線和其相應的位移時程曲線具有相同的變化趨勢，同樣是在地震作用最強烈的時刻基底剪力達到最大值。由于KJ1和KJ2與KJ3～KJ6的節(jié)點構(gòu)造形式不同，KJ1和KJ2的基底剪力具有相同的變化趨勢，KJ3～KJ6的基底剪力也具有相同的變化趨勢。

3.3 滯回性能

圖10為鋼竹組合框架在地震波作用下的基底剪力頂層水平位移滯回曲線。從圖10可以看出，各框架的滯回曲線大體上一致，但KJ1和KJ2的滯回曲線明顯沒有KJ3～KJ6的飽滿，其最大值比KJ3～KJ6要小，這是由于KJ1和KJ2沒有設置加勁肋且沒有使用高強螺拴。從前面的分析還可知 ，滯回曲線大體上一致是由于各框架的側(cè)移剛度差別較小，這種差別在水平位移和基底剪力的變化中比較容易體現(xiàn)出來，而在由這2個變量構(gòu)成的滯回曲線上體現(xiàn)的不是特別明顯。從圖10還可以看出，框架結(jié)構(gòu)在初期保持彈性狀態(tài)，當?shù)卣鸩ㄟ_到峰值的時候，開始出現(xiàn)滯回環(huán)，并出現(xiàn)某些交叉，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了非線性的變形。滯回環(huán)的形狀都比較飽滿，這反映了鋼竹組合框架結(jié)構(gòu)良好的抗震性能。4 結(jié) 語

（1）鋼竹組合框架結(jié)構(gòu)的抗震性能優(yōu)良，鋼竹組合框架節(jié)點的構(gòu)造因素對其抗震性能有著重要的影響。

（2）節(jié)點連接時使用高強螺栓并設置加勁肋不僅可以保證框架結(jié)構(gòu)在地震作用下具有良好的延性，而且具有較高的承載力，使其符合半剛性節(jié)點的要求。

（3）地震反應分析結(jié)果表明，鋼竹組合框架結(jié)構(gòu)的水平位移較大，節(jié)點剛度偏低，應對節(jié)點構(gòu)造進行改進，以提高節(jié)點剛度，控制框架側(cè)移，并確保組合框架的承載能力。

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