方鋼管混凝土柱—鋼梁角鋼連接節(jié)點抗震性能分析

徐 嫚 劉書堯

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，科技不斷進步，人民生活水平逐漸的提高，對建筑的要求也越來越多元化，已經(jīng)不再滿足于傳統(tǒng)的磚混、鋼筋混凝土等常見的結(jié)構(gòu)形式。鋼管混凝土相對于傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)，其綜合了鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，使其結(jié)構(gòu)體系的延性、承載力和耗能能力都比單獨的鋼結(jié)構(gòu)或混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)異，而得到了廣泛的重視[1-3]。

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)顧名思義，即在鋼管中澆筑混凝土而形成的一種組合結(jié)構(gòu)?？煞譃閳A形、方形、多邊形等鋼管混凝土形式，而最常見的是圓鋼管和方鋼管混凝土形式[4-6]，如圖1所示。

梁柱連接節(jié)點根據(jù)剛度性能的不同，分為剛接、鉸接和半剛性連接，如圖2所示。半剛性連接框架在一定程度上彌補了完全剛接框架和完全鉸接框架的缺點，比鉸接更貼近實際生活情況，比剛接具有更好的抗震性能。因此，半剛性連接節(jié)點具有較為顯著的應(yīng)用前景[7,8]。

首先對節(jié)點進行擬靜力試驗，同時結(jié)合有限元軟件模擬分析，最后利用組件法建立節(jié)點的初始轉(zhuǎn)動剛度計算模型。通過探究半剛性節(jié)點的力學(xué)性能，為研究地震作用下節(jié)點的受力機理提供重要依據(jù)，為設(shè)計新型節(jié)點提供思路。

1 新型鋼管混凝土柱—鋼梁節(jié)點的形式

新型節(jié)點是采用角鋼和連接板結(jié)合螺栓將梁柱進行連接，具體方式為將角鋼短肢處與柱壁進行焊接，長肢處與梁翼緣通過四個高強螺栓進行連接，為了保證角鋼的剛度，在角鋼上增加加勁肋，梁上下翼緣均做此處理。梁腹板處單側(cè)有一連接板，將連接板焊接在柱壁上，再用螺栓將連接板與梁腹板進行連接。具體連接形式如圖3所示。

新型節(jié)點的具體尺寸如表1所示，設(shè)定軸壓比為0.23，軸力為770 kN。

表1 構(gòu)件尺寸

2 有限元模型的建立

在使用ABAQUS進行有限元建模時，節(jié)點由鋼管、混凝土、鋼梁、角鋼和螺栓等共同組合而成。模型分析單元一般分為線性單元和二次單元[9]，本模型分析從精度要求角度而言，線性單元和二次單元差別不大，而線性單元可以增加計算效率[10]，因此本模型分析選用線性單元。創(chuàng)建實體部件并確定截面屬性之后進行裝配，定義各個接觸面的相互作用，然后施加荷載和劃分網(wǎng)格，最后進行分析計算，如圖4所示。

3 節(jié)點抗震性能分析

3.1 節(jié)點的破壞形態(tài)

應(yīng)用ABAQUS建立好有限元模擬的模型后，在柱頂軸心施加豎向力，梁端兩側(cè)同時分別施加向上與向下的循環(huán)荷載。最終得到有限元模擬的破壞形態(tài)，角鋼加勁肋屈曲和梁與角鋼脫離，如圖5所示。

3.2 滯回曲線

滯回曲線是反映節(jié)點抗震性能好壞的重要依據(jù)，它描述的是節(jié)點在梁端兩側(cè)同時分別施加向上與向下的循環(huán)荷載時，節(jié)點的變形情況和能量耗散的特性。由圖6可以看出，節(jié)點的滯回曲線飽滿度較好，變化均勻。表明此新型節(jié)點塑性變形能力強，在這一指標(biāo)下體現(xiàn)的抗震性能良好。

3.3 骨架曲線

對試件進行循環(huán)加載的過程中，通過位移與施加荷載的讀數(shù)可以繪制骨架曲線。從骨架曲線中，我們可以分析出極限強度，屈服強度，剛度退化，強度退化等狀況，如圖7所示。

4 結(jié)語

本文使用ABAQUS有限元軟件對鋼管混凝土角鋼連接節(jié)點進行了數(shù)值模擬分析，并與試驗結(jié)果對比，得出以下結(jié)論：

1)首先介紹了方鋼管混凝土柱—鋼梁角鋼連接節(jié)點有限元模型的主要建立過程，包括鋼材的本構(gòu)關(guān)系設(shè)置、混凝土塑性損傷、各部件網(wǎng)格的劃分、邊界條件和接觸的設(shè)置，對模型按照試驗的加載制度設(shè)置了荷載，使數(shù)值模擬與試驗盡可能的保持一致性，保證了模型建立的合理性。

2)模型的滯回曲線均呈現(xiàn)較為豐滿的梭形，說明角鋼連接節(jié)點具有較好的耗能能力。

3)角鋼連接節(jié)點在循環(huán)荷載下經(jīng)歷了彈性→塑性→極限破壞的三個受力階段，骨架曲線明顯呈S形。

4)通過模擬，得到試件的破壞形態(tài)為節(jié)點均產(chǎn)生了角鋼加勁肋屈曲、梁與角鋼長肢相分離，角鋼撕裂的現(xiàn)象，通過破壞形態(tài)與預(yù)想的結(jié)果對比可說明有限元模型的本構(gòu)關(guān)系、單元設(shè)置及邊界條件均是比較合理的。

參考文獻:

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