鋼管再生混凝土柱鋼梁節(jié)點(diǎn)抗震性能非線性有限元分析

張陽(yáng)陽(yáng) (中建四局第六建筑工程有限公司，安徽 合肥 230012)唐榕 (合肥市市政工程管理處，安徽 合肥 230022)朱凱 (中交二公局第六工程有限公司，陜西 西安 710065)

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張陽(yáng)陽(yáng) (中建四局第六建筑工程有限公司，安徽 合肥 230012)唐榕 (合肥市市政工程管理處，安徽 合肥 230022)朱凱 (中交二公局第六工程有限公司，陜西 西安 710065)

為了研究鋼管再生混凝土柱-鋼梁框架節(jié)點(diǎn)的抗震性能，基于已進(jìn)行的試驗(yàn)，在選取合適的本構(gòu)關(guān)系后，選用大型有限元軟件ABAQUS對(duì)試驗(yàn)中的不同再生骨料取代率下框架節(jié)點(diǎn)進(jìn)行非線性分析；并在已建立的模型的基礎(chǔ)上，改變軸壓比和梁柱線剛度比參數(shù)，探究不同試驗(yàn)參數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響。研究結(jié)果表明，將理論計(jì)算得到的滯回曲線和實(shí)測(cè)滯回曲線對(duì)比后發(fā)現(xiàn)吻合較好，鋼管再生混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)具有較好的耗能能力，不同骨料取代率對(duì)節(jié)點(diǎn)的抗震性能影響不明顯；軸壓比對(duì)節(jié)點(diǎn)彈性階段無(wú)明顯影響，增大軸壓比不利于節(jié)點(diǎn)的后期承載力；梁柱線剛度比越大，有利于節(jié)點(diǎn)的初始剛度和承載能力的提高；研究成果可為該類節(jié)點(diǎn)的工程實(shí)際應(yīng)用提供理論支撐。

鋼管混凝土柱；節(jié)點(diǎn)；擬靜力試驗(yàn)；抗震性能；非線性分析

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)良好的抗震性能已廣泛受到設(shè)計(jì)人員的青睞，矩形鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)組成的框架結(jié)構(gòu)體系已在我國(guó)的高層及超高層中逐漸被使用。歷次的大地震災(zāi)后調(diào)查發(fā)現(xiàn)[1，2]，大多數(shù)的建筑多見節(jié)點(diǎn)破壞，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)在地震中受到軸力、彎矩、剪力共同作用，受力復(fù)雜，極易發(fā)生較為嚴(yán)重的破壞[3]。而節(jié)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)中的重要和關(guān)鍵部位，故研究節(jié)點(diǎn)的抗震性能對(duì)于整體結(jié)構(gòu)而言，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)的研究成果較為豐富，多見于不同截面形式普通鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)的研究。國(guó)內(nèi)學(xué)者周天華等[4]、張玉芬等[5]、丁永君等[6]、陳志華等[7]、李威等[8]、劉記雄等[9]、林明森等[10]對(duì)不同截面形式的鋼管混凝土柱-不同形式的鋼梁節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了一系列試驗(yàn)研究和理論分析，研究結(jié)果表明該類節(jié)點(diǎn)具有良好的抗震性能。而關(guān)于鋼管再生混凝土柱-鋼梁框架節(jié)點(diǎn)抗震性能則較少，蘇益聲等[11]研究了方鋼管再生混凝土柱-帶加強(qiáng)環(huán)鋼梁節(jié)點(diǎn)的抗震性能，結(jié)果表明該類型節(jié)點(diǎn)具有較好的抗震性能。除此之外，尚未見到不同再生骨料取代率下鋼管再生混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)抗震性能的試驗(yàn)研究及有限元分析。

因此，基于已完成的試驗(yàn)[12]，筆者擬采取合適的本構(gòu)關(guān)系，對(duì)不同再生骨料取代率下框架節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元分析，評(píng)價(jià)有限元分析結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的吻合度；并根據(jù)以建立的模型，改變軸壓比和梁柱剛度比參數(shù)，探究不同參數(shù)對(duì)框架節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響，以期為該類型節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用和推廣提供理論支持。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)與制作

試驗(yàn)一共制作了2根鋼管再生混凝土柱-鋼梁框架節(jié)點(diǎn)試件模型，按照“強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”設(shè)計(jì)制作，其再生骨料取代率分別為50%、100%，試件編號(hào)為JD-1、JD-2。柱子選用方鋼管矩形柱，截面尺寸150mm×150mm，壁厚為3.5mm。試件模型示意圖見圖1。試驗(yàn)軸壓比為0.3，施加在柱頂上的軸力為450kN。方形鋼管內(nèi)均填充混凝土等級(jí)為C40的再生混凝土，實(shí)測(cè)混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度為39.5N/mm2。工字鋼梁截面H100mm×210 mm×5 mm×6mm，鋼梁是由3塊鋼板融透焊接形成。1m3再生混凝土質(zhì)量配合比為水泥：砂∶水∶骨料=421.3∶523.2∶208.5∶1021.2，當(dāng)取代率為50%時(shí)，天然骨料和再生骨料各取一半，當(dāng)取代率為100%時(shí)，則全部使用再生骨料。

圖1 試件模型示意圖(單位：mm)

圖2 加載示意圖

1.2 加載裝置及加載制度

為了更好的探究框架節(jié)點(diǎn)的抗震性能，選擇使用作動(dòng)器對(duì)節(jié)點(diǎn)試件進(jìn)行加載。柱頂端施加恒定的軸力不變直至試驗(yàn)結(jié)束，柱頂端同時(shí)與固定在反力墻上的作動(dòng)器相連，通過(guò)作動(dòng)器施加低周反復(fù)荷載。加載方式采用荷載-位移混合加載控制，試件屈服前采用荷載加載，直到試件滯回曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，再換成位移加載。加載位移選擇試件的屈服位移，每級(jí)循環(huán)3次，而試件屈服前的荷載加載時(shí)僅循環(huán)1次。直到試件的承載力下降至極限荷載的85%或試件無(wú)法繼續(xù)加載時(shí)方停止加載，加載示意圖見圖2。

2 有限元模型

選擇大型有限元分析軟件ABAQUS，用以分析矩形鋼管再生混凝土柱-工字形鋼梁框架節(jié)點(diǎn)在低周反復(fù)荷載下的受力性能，為了盡可能使得模擬情況和實(shí)際加載情況相同，現(xiàn)將具體建模過(guò)程敘述如下。

2.1 單元選取和網(wǎng)格劃分

建模時(shí)，均選取實(shí)體單元，這樣可以更精確模擬出實(shí)際中試件的尺寸、相應(yīng)位置等條件。核心再生混凝土采用Solid65單元，該單位的優(yōu)點(diǎn)在于可以很好的考慮混凝土的變形，如徐變或收縮等。鋼板和焊縫選取Solid45單元。劃分網(wǎng)格時(shí)，選用映射自定義網(wǎng)格劃分，在加強(qiáng)環(huán)周邊需要對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行適當(dāng)加密，以得到較好的精度。

2.2 材料本構(gòu)關(guān)系

1)鋼材的本構(gòu)關(guān)系 鋼材選擇是Q235B，將試件拉伸得到實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，見文獻(xiàn)[12]。為了使得模擬結(jié)果更為準(zhǔn)確，將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)用于試件材料的參數(shù)，選取三折線表達(dá)式。

2)再生混凝土的本構(gòu)關(guān)系 有限元分析時(shí)，只有參數(shù)設(shè)置正確了，才能得到較好的模擬結(jié)果。普通混凝土的本構(gòu)關(guān)系已有學(xué)者進(jìn)行了較多研究，而關(guān)于再生混凝土本構(gòu)模型還沒有統(tǒng)一的規(guī)定，故需要更為慎重選取再生混凝土的本構(gòu)模型。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)這種特殊的結(jié)構(gòu)形式，使得混凝土被鋼管約束和包裹，故其力學(xué)性能更為復(fù)雜。其復(fù)雜主要表現(xiàn)在核心混凝土塑性會(huì)增強(qiáng)，主要體現(xiàn)在峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?cè)龃笠约皯?yīng)力-應(yīng)變曲線下降段退化較為平緩，引入約束效應(yīng)系數(shù)ξ用于衡量這種變化：

(1)

式中，As、Ac分別為鋼材和混凝土的截面積，m2；α為含鋼率；fy為鋼材屈服強(qiáng)度，Pa；fck為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，Pa。

混凝土受壓本構(gòu)關(guān)系采取文獻(xiàn)[13]用的本構(gòu)關(guān)系，混凝土受拉本構(gòu)關(guān)系采取文獻(xiàn)[11]用的本構(gòu)關(guān)系。

2.3 邊界條件與加載方式

首先對(duì)試件加載時(shí)邊界條件進(jìn)行簡(jiǎn)化，柱底為鉸接，柱頂部有滑動(dòng)小車，使得柱在受軸力的同時(shí)也可以產(chǎn)生水平移動(dòng)，梁端有定向支座，可以產(chǎn)生水平移動(dòng)。柱頂部千斤頂提供的軸力可以折算成均布?jí)毫?，因軸力較大，可假設(shè)柱頂平面?zhèn)认騽偠葻o(wú)窮大。加載時(shí)，先在頂端施加荷載，再在加載段中心線位移施加水平荷載。在有限元ABAQUS中，設(shè)置2個(gè)荷載步，首先在柱頂端施加均布荷載，同時(shí)需根據(jù)軸力大小來(lái)調(diào)整步長(zhǎng)，直到加載結(jié)束；其次荷載步為水平荷載的施加，采用位移控制。

3 模型驗(yàn)證

將2根試件模擬計(jì)算的曲線和實(shí)測(cè)的曲線繪制于同一張圖形中，見圖3。水平極限承載力實(shí)測(cè)值和計(jì)算值見表1，實(shí)測(cè)和計(jì)算極限承載力對(duì)比見圖4。

圖3 實(shí)測(cè)和計(jì)算滯回曲線對(duì)比

從圖3、圖4及表1可知：

圖4 實(shí)測(cè)和計(jì)算極限承載力對(duì)比

1)2根試件有限元模擬計(jì)算曲線和實(shí)測(cè)曲線有一定的符合度，模擬結(jié)果大致可描述出試件加卸載規(guī)律，但也存在一部分的分離。原因主要有以下2點(diǎn)，一是因?yàn)橛邢拊M是理想情況下的加載曲線，而實(shí)際試驗(yàn)中存在制作和安裝等一系列不可避免的誤差，但模擬是根本未考慮這些誤差。二是因?yàn)閷?shí)際加載過(guò)程中存在加載、卸載、再加載、再卸載等循環(huán)形成的滯回曲線，而有限元采用的是單調(diào)加載時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，故造成了兩者滯回曲線出現(xiàn)了偏離。

2)2根試件JD-1、JD-2極限承載力實(shí)測(cè)值和計(jì)算值相差不大，基本接近，實(shí)測(cè)值與計(jì)算值比值分別為0.93、0.89，差別較小，離散性較小。

表1 水平極限承載力對(duì)比

從滯回曲線和極限承載力來(lái)看，建立的有限元模型可很好模擬出鋼管再生混凝土柱-鋼梁框架節(jié)點(diǎn)在低周反復(fù)荷載下的受力性能，可見筆者建立的模型是正確可行的。從實(shí)際工程來(lái)看，有限元模擬計(jì)算結(jié)果可基本滿足精度要求，為拓展分析提供了理論可能。同時(shí)，2根試件的極限承載力比較接近，實(shí)測(cè)滯回曲線形態(tài)也大體相同，且2根試件模擬滯回曲線也比較接近，說(shuō)明不同再生骨料取代率對(duì)節(jié)點(diǎn)抗震性能影響較小。

4 參數(shù)影響分析

實(shí)際工程中，存在各種各樣的情況，不可能一次試驗(yàn)?zāi)芨F盡所有節(jié)點(diǎn)的受力性能。通過(guò)建立的有限元模型，分析了不同再生骨料取代率對(duì)節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響，驗(yàn)證了建立的有限元模型是正確和合理的。因此，可以改變不同的變化參數(shù)，運(yùn)用有限元模型進(jìn)行模擬，分析不同參數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響，以滿足實(shí)際工程中各種不同情況的要求，為實(shí)際工程提供依據(jù)。

4.1 軸壓比

研究節(jié)點(diǎn)的軸壓比取為0.3，在實(shí)際工程中，根據(jù)建筑物的實(shí)際需要，需確定不同的軸壓比。模型采取和試件JD-1相同，僅改變豎向力來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的軸壓比，分析的軸壓比為0.4、0.5，故其對(duì)應(yīng)的軸壓分別為600、750kN。利用有限元軟件模擬分析出不同軸壓比下的骨架曲線，見圖5；不同軸壓比下極限承載力對(duì)比如圖6所示。

圖5 不同軸壓比下骨架曲線

圖6 不同軸壓比下極限承載力對(duì)比

從圖5、圖6可知，不同軸壓比對(duì)初始彈性階段的剛度影響極小，其曲線基本重合。這是由于彈性階段，柱二階效應(yīng)還不突出，說(shuō)明軸壓比對(duì)節(jié)點(diǎn)的剛度不產(chǎn)生明顯影響。隨著加載的進(jìn)行，節(jié)點(diǎn)的剛度逐漸變小，說(shuō)明存在剛度退化，越到加載后期，剛度退化越快。隨著軸壓比的增大，節(jié)點(diǎn)極限承載力逐漸降低，且后期退化階段的剛度退化速率也加快。這是由于節(jié)點(diǎn)軸壓比越大，鋼管柱的二階效應(yīng)越來(lái)越突出，節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定性也就越差，故軸壓比越大對(duì)節(jié)點(diǎn)后期承載能力越不利。

4.2 梁柱線剛度比

設(shè)計(jì)試件的梁柱線剛度比為1.23，梁柱線剛度比可以反映出梁對(duì)柱的約束程度，其值越大，則梁對(duì)柱約束作用越大。模型采取和試件JD-1相同，僅改變梁跨度來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的梁柱線剛度比，分析的剛度比分別為1.35和1.50。利用有限元軟件模擬分析出不同梁柱線剛度比下的骨架曲線，見圖7；不同梁柱線剛度比下極限承載力對(duì)比圖見圖8。

從圖7、圖8可知，梁柱線剛度比越大，試件的初始剛度也越大，說(shuō)明梁柱線剛度比對(duì)試件初始剛度有顯著影響。梁柱線剛度比越大，節(jié)點(diǎn)試件所達(dá)到的極限荷載也越大，這是由于梁柱線剛度比越大，梁剛度越大造成節(jié)點(diǎn)的抗彎承載力也越大，故其承載力也越大。梁柱線剛度比對(duì)節(jié)點(diǎn)骨架曲線退化階段影響不大，其退化曲線大致平行。這是因?yàn)樵诩虞d過(guò)程中，梁端塑性鉸不斷形成和發(fā)展，其梁剛度減小，故梁柱線剛度比對(duì)其影響不大。

圖7 不同梁柱線剛度比下骨架曲線

圖8 不同梁柱線剛度比下極限承載力對(duì)比

5 結(jié)論

1)不同再生骨料取代率對(duì)鋼管再生混凝土柱-鋼梁框架節(jié)點(diǎn)抗震性能影響較小，有限元軟件模擬計(jì)算出的滯回曲線和實(shí)測(cè)滯回曲線有一定的吻合度，說(shuō)明建立的有限元模型是可行的。

2)軸壓比對(duì)節(jié)點(diǎn)彈性階段無(wú)明顯影響，但對(duì)節(jié)點(diǎn)的后期受力影響較大，增大軸壓比不利于節(jié)點(diǎn)的后期承載力。

3)梁柱線剛度比越大，有利于節(jié)點(diǎn)的初始剛度和承載能力的提高，但對(duì)節(jié)點(diǎn)后期退化階段的影響不明顯。

4)鋼管再生混凝土柱-鋼梁框架節(jié)點(diǎn)的抗震性能優(yōu)越，可在抗震設(shè)防區(qū)及超高層建筑中推廣使用。

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[編輯] 計(jì)飛翔

2016-09-16

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014-K2-021)。

張陽(yáng)陽(yáng)(1989-)，男，工程師，現(xiàn)主要從事結(jié)構(gòu)工程抗震方面的研究工作；通信作者：朱凱，1879025407@qq.com。

TU398.9

A

1673-1409(2016)34-0010-05

[引著格式]張陽(yáng)陽(yáng)，唐榕，朱凱.鋼管再生混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)抗震性能非線性有限元分析[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2016,13(34)：10～14，45.