火災后鋼管混凝土柱與H型鋼梁節(jié)點抗震性能的有限元分析

任德斌，王溥麟，王 芬

(1.沈陽建筑大學 土木工程學院，沈陽 110168；2.大連廣播電視大學莊河分校，遼寧 莊河 116400)

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)作為一種新型的結(jié)構(gòu)體系而被廣泛地應用，是將混凝土澆筑到鋼管內(nèi)，使得鋼管與混凝土協(xié)同作用，即鋼管對混凝土的約束作用，使混凝土的強度提高，延性變好。由于鋼管內(nèi)部含有核心混凝土，其局部抗屈曲能力有所提高，以此來提高結(jié)構(gòu)的承載能力。鋼管混凝土柱與鋼梁通過外加強環(huán)相連，分析鋼管混凝土柱與鋼梁節(jié)點處的抗震性能很有必要。

國內(nèi)外學者對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)進行了研究。程威等[1]對鋼管混凝土柱-H型鋼梁框架節(jié)點的力學性能進行研究，研究結(jié)果表明，豎向T形加勁肋和局部豎向T形加勁肋連接的圓鋼管混凝土柱-H型鋼梁節(jié)點均具有良好的延性和耗能能力。邵鹿峰等[2]對方鋼管混凝土柱-H型鋼梁組合節(jié)點抗震性能進行試驗研究，結(jié)果表明，該類型節(jié)點具有良好的延性和抗震性能。李德山等[3]對鋼管混凝土柱-鋼梁單邊螺栓連接節(jié)點力學性能進行研究，結(jié)果表明，單邊螺栓作為一種連接閉合截面的新型緊固件，具有良好的力學性能，工作性能安全可靠。Talebi Elnaz等[4]進行了非線性熱應力分析，模擬了鋼管混凝土柱在地震作用下的火災反應，驗證了所提出的有限元模型的有效性。

目前，針對梁柱節(jié)點抗震性能的分析，大多還停留在常溫狀態(tài)下，而針對火災后梁柱節(jié)點的研究相對較少，因此，本文以火災后鋼管混凝土柱與H型鋼梁連接節(jié)點為研究對象，分析節(jié)點抗震性能。

1 火災影響分析

本文在研究過程中，使用ISO-834標準升溫曲線，其表達式如式(1)所示。

T=T0+345lg(8t+1)

(1)

式中：T0為室溫，一般取20℃；t為受火時間；T為受火后的溫度。

進行火災作用分析時，鋼管混凝土柱與鋼梁同時受火，對流換熱系數(shù)取25(W/m2·℃)，發(fā)射率ε=0.5，為便于計算，本文在進行有限元分析時，忽略部件之間的熱阻[5-7]。

火災計算完成后，將火災計算結(jié)果ODB文件導入力學分析模型中，分析構(gòu)件火災后的力學性能。

2 火災后鋼管混凝土柱與H型鋼梁節(jié)點抗震性能分析

2.1 構(gòu)件參數(shù)

鋼管混凝土柱與H型鋼梁節(jié)點構(gòu)件的基本參數(shù)如表1所示。

表1 構(gòu)件參數(shù)表

注：B90C90表示梁與柱同時受火90分鐘。

2.2 本構(gòu)關(guān)系模型

(1)高溫后鋼材的本構(gòu)關(guān)系模型

采用雙折線模型描述自然冷卻條件下構(gòu)件內(nèi)部的鋼材應力-應變關(guān)系[8]。本文中鋼管、鋼梁采用該模型，具體如下。

(2)

式中：

本文中鋼材采用Q345，受火時間60min后，鋼材強度有所下降，不同溫度下其應力-應變關(guān)系如圖1所示。

圖1 不同溫度下鋼材應力-應變關(guān)系

(2)高溫后混凝土的本構(gòu)關(guān)系模型

火災后鋼管混凝土柱受軸向力作用，外部鋼管會對混凝土產(chǎn)生一定的約束。由于鋼管直接與火源接觸，因此受火時材料強度下降較快，強度存在一定的損失。為能近似的模擬火災情景，針對混凝土本文采用文獻[8]中的本構(gòu)關(guān)系進行研究，混凝土強度采用C50，混凝土應力-應變關(guān)系可用式(3)、式(4)表示。

εo(T)=εo[1+(1500T+5T2)×10-6]

(3)

(4)

式中σ0為常溫階段混凝土峰值應力。

高溫后，混凝土受高溫作用，產(chǎn)生嚴重裂化現(xiàn)象，材料剛度與強度較常溫時大幅度降低，其應力-應變關(guān)系如圖2所示。

圖2 不同溫度下混凝土應力-應變關(guān)系

2.3 有限元模擬的模型建立

(1)單元類型和網(wǎng)格劃分

混凝土、外鋼管以及鋼梁采用易于模擬較大網(wǎng)格扭曲和大應變分析的三維實體單元(C3D8R)；為提高模擬結(jié)果的精度，網(wǎng)格劃分時，鋼骨與混凝土網(wǎng)格對應，且三向尺寸相近。

(2)加載方式與邊界條件

模型加載時，柱頂施加軸向荷載，柱底部及左、右梁均采用鉸接，柱頂端施加水平往復荷載，模型加載及網(wǎng)格劃分示意圖如圖3所示。

圖3 模型加載和網(wǎng)格劃分示意圖

2.4 有限元模擬結(jié)果

2.4.1 變形模態(tài)分析

以火災后節(jié)點C12-B90C90為例進行有限元模擬。加載初期，鋼梁與鋼管都未出現(xiàn)明顯的破壞現(xiàn)象；繼續(xù)加載，鋼梁上翼緣鋼板出現(xiàn)了輕微的屈曲；不斷加載，屈曲現(xiàn)象越來越明顯。通過變形模態(tài)云圖發(fā)現(xiàn)，前鋼梁上翼緣鋼板大面積發(fā)生屈曲，且腹板也開始屈曲，后鋼梁的下翼緣鋼板也呈現(xiàn)出不同程度的損壞，腹板開始屈曲。變形云圖見圖4所示。

圖4 構(gòu)件變形云圖

2.4.2 柱頂水平荷載(P)-水平變形(△h)滯回曲線

通過有限元模擬得到C11-B90C90、C12-B90C90、C13-B90C90三組試件柱頂水平荷載-水平位移滯回關(guān)系曲線，如圖5所示，滯回曲線總體呈現(xiàn)紡錘形，曲線較飽滿，說明鋼管混凝土柱-鋼梁連接節(jié)點在經(jīng)歷火災作用后仍然具有良好的抗震性能，耗能能力較強。

分析圖5有如下特點：

(1)雖然鋼梁在經(jīng)受火災后材料強度存在一定損失，但整體上滯回曲線仍然飽滿，未出現(xiàn)捏縮現(xiàn)象。

圖5 水平荷載-位移曲線

(2)隨著柱頂施加的水平位移逐漸增大，剛度出現(xiàn)退化，主要原因是試件變形增大的同時截面彎矩-曲率也逐漸增大，導致鋼管混凝土和鋼梁的屈服范圍逐漸增大。

(3)針對C11-B90C90、C12-B90C90兩組試件，柱頂端施加的軸力皆為180kN，C13-B90C90柱頂施加的軸力為274kN，其對應的荷載比分別為0.4和0.6，通過觀察滯回曲線發(fā)現(xiàn)，柱荷載比n=0.6相比于n=0.4，滯回曲線更早的出現(xiàn)下降段，并且下降幅度更大。

2.4.3 節(jié)點耗能分析

耗能能力是衡量節(jié)點抗震性能的一項重要指標，耗能能力越大，則在地震來臨時吸收和消耗地震能量也就越大，針對具有較強的抗震性能的構(gòu)件，相關(guān)學者在進行節(jié)點耗能能力分析時，大多采用等效粘滯阻尼系數(shù)he和能量耗散系數(shù)E進行評價，通過對C11-B90C90、C12-B90C90、C13-B90C90三組構(gòu)件分析，得到鋼管混凝土柱與鋼梁節(jié)點耗能相關(guān)指標，如表2所示。

表2 鋼管混凝土柱與鋼梁節(jié)點耗能指標

由表2可知，三組構(gòu)件等效粘滯系數(shù)he的平均值為0.3357；對于鋼筋混凝土節(jié)點，其等效粘滯系數(shù)為0.1左右，型鋼混凝土節(jié)點為0.3[9]。經(jīng)歷火災作用后的構(gòu)件等效粘滯系數(shù)超過了型鋼，說明本文所研究的構(gòu)件滿足結(jié)構(gòu)抗震要求。

2.4.4 不同荷載比(n)時的受力分析

圖6是不同荷載比下試件的骨架曲線。

圖6 不同荷載比下試件的骨架曲線

C12-B90C90、C13-B90C90的荷載比分別為0.4和0.6，通過圖6骨架曲線對比發(fā)現(xiàn)，隨著鋼管混凝土柱荷載比逐漸增大，其承載力逐漸降低，并且進入強化階段后，其剛度也隨著荷載比的增加而減小，強化階段變短。

2.4.5 不同梁柱剛度比時的受力分析

C11-B90C90、C12-B90C90兩組試件荷載比、受火時間及受火方式相同，唯一不同的是鋼梁高度h，C11-B90C90、C12-B90C90兩組試件梁高分別為140mm和170mm，不同梁高對應的梁的剛度也不同。圖7為不同梁柱剛度比的骨架曲線，在其他條件一定的情況下，試件承載力和剛度與梁柱線剛度比呈正相關(guān)關(guān)系，隨著梁柱線剛度比的增大，位移延性也略微增加。

圖7 不同梁柱剛度比骨架曲線

3 結(jié)論

(1)通過節(jié)點耗能分析，得到三組試件火災后的等效粘滯系數(shù)平均為0.3357，大于鋼筋混凝土節(jié)點等效粘滯系數(shù)0.1、型鋼混凝土節(jié)點等效粘滯系數(shù)0.3，說明試件具有較強的耗能能力。

(2)以荷載比與梁柱剛度比為研究參數(shù)進行火災后受力分析，結(jié)果表明，在其他條件不變的情況下，隨著鋼管混凝土柱荷載比逐漸增大，其承載力逐漸降低，并且進入強化階段后，其剛度也隨著荷載比的增加而減小，強化階段也變短。在只改變梁柱剛度比的情況下，試件承載力以及剛度與梁柱線剛度比呈正相關(guān)關(guān)系；隨著梁柱線剛度比的增大，位移延性也有略微增加。