實復及空復式鋼管混凝土梁柱節(jié)點抗震性能分析*

王 穎， 畢靈云

(沈陽工業(yè)大學 建筑與土木工程學院， 沈陽 110870)

隨著我國建設事業(yè)的迅猛發(fā)展，結(jié)構(gòu)工程技術也得到快速發(fā)展.鋼管混凝土最早應用于橋墩和工業(yè)廠房中.在20世紀80年代，外國學者主要研究了鋼管混凝土的抗震性能和耐火性能[1-3].近年來，各國學者對鋼管混凝土動力性能的研究也進一步深入，目前又開始了對復式鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究.復式鋼管混凝土結(jié)構(gòu)就是在方鋼管中加入了圓鋼管，內(nèi)嵌的圓鋼管可以有效地約束內(nèi)部混凝土，彌補了單層鋼管混凝土對核心混凝土約束不足的缺點，同時外層的方鋼管兼具外表美觀、與梁連接方便等優(yōu)勢，具有良好的工程應用性.復式鋼管混凝土又分為實復和空復式鋼管混凝土兩種結(jié)構(gòu)，實復式鋼管混凝土內(nèi)嵌的圓鋼管中澆有混凝土，空復式鋼管混凝土內(nèi)嵌的圓鋼管中無混凝土，兩種結(jié)構(gòu)的截面如圖1所示.實復式鋼管混凝土結(jié)構(gòu)能夠充分發(fā)揮圓鋼管的約束效應，空復式的結(jié)構(gòu)具有較好的抗震性能和抗火性能，且自重相對較輕[4-5].把兩種結(jié)構(gòu)做對比，從而深入地分析兩者抗震性能的具體差異.通過已經(jīng)完成的試驗數(shù)據(jù)，利用ABAQUS進行模擬，分析實復式鋼管混凝土節(jié)點的破壞形態(tài)，將得到的結(jié)果與試驗結(jié)果對比，若結(jié)果相對準確，則繼續(xù)對空復式鋼管混凝土節(jié)點進行模擬分析，對比分析兩種節(jié)點的應力分布，為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在工程中的應用提供指導.

圖1 實復及空復式鋼管混凝土Fig.1 Solid and hollow multiple concrete filled steel tubes

1 試驗概況

1.1 低周循環(huán)荷載試驗

低周循環(huán)荷載試驗就是對構(gòu)件在正反兩個方向上施加反復荷載，也叫擬靜載試驗，一般在模擬地震時使用.結(jié)構(gòu)的抗震性能通過分析結(jié)構(gòu)的滯回性能、骨架曲線、剛性和延性及耗能能力等抗震指標來體現(xiàn).

1.2 試驗節(jié)點模型

1.3 節(jié)點加載制度

模型加載時首先在柱頂施加軸向荷載，其次在梁的兩端施加豎向循環(huán)荷載.加載過程與試驗一致，采用位移加載控制.屈服前每級循環(huán)一次，從屈服開始每級循環(huán)三次.加載歷程如圖4所示.圖4中，Δy為梁端屈服位移，t為加載時間.

圖2 節(jié)點模型尺寸Fig.2 Joint model size

圖3 節(jié)點詳圖Fig.3 Joint details

圖4 加載制度Fig.4 Loading principle

2 有限元模型的建立

2.1 混凝土的本構(gòu)關系

外方鋼管與內(nèi)圓鋼管之間的混凝土受力較為復雜，且鋼管混凝土柱在軸心受壓作用下，也要考慮鋼管與混凝土之間的相互作用.文獻[4]通過引入約束效應系數(shù)ξ，提出了混凝土受壓的本構(gòu)關系式，即

(1)

(2)

(3)

2.2 鋼材的本構(gòu)關系

2.3 相互作用及約束條件

圖5 混凝土受壓應力應變關系曲線Fig.5 Stress-strain relation curves of concrete under compression

圖6 三段線模型Fig.6 Triple linear model

2.4 有限元模型及單元劃分

3 有限元模擬計算結(jié)果分析

he=E/(2π)

(4)

(5)

圖7 節(jié)點模型及模型單元劃分Fig.7 Joint model and model unit meshing

表1為模擬值與試驗值數(shù)據(jù)對比.結(jié)果顯示，數(shù)值模擬所得的滯回曲線能夠較好地與試驗滯回曲線相吻合，粘滯阻尼系數(shù)及能量耗散系數(shù)較接近，從而驗證了模型的合理性.

圖8 有限元模擬計算和試驗滯回曲線Fig.8 Finite element simulated calculation and experimental hysteresis loop

圖9 節(jié)點滯回曲線包絡圖Fig.9 Envelope diagram of joint hysteresis loop

參數(shù)模擬值試驗值模擬值/試驗值he0.360.311.16E2.261.931.17

骨架曲線是由滯回曲線上每級加載的峰值點連接得到的，通過有限元模型的滯回曲線可以得到其骨架曲線，如圖10所示，模擬值與試驗值的梁端承載力對比如表2所示.

圖10 骨架曲線Fig.10 Skeleton curves

由圖10及表2可以看出，有限元分析得出的梁端承載力大于試驗得出的梁端承載力，且模擬得到的骨架曲線沒有下降段，說明數(shù)值模擬與試驗還存在一定的誤差.這是因為有限元計算模型忽略了實際焊縫缺陷的影響，而實際試驗梁端承載力的下降是由焊縫開裂導致的，所以有限元模擬得到的骨架曲線荷載值略高于試驗荷載值.

表2 梁端承載力模擬值與試驗值對比Tab.2 Comparison between simulated and experimentalvalues of bearing capacity of beam end kN

綜合以上多組數(shù)據(jù)分析，有限元模擬的計算結(jié)果與實際試驗結(jié)果相差不大，有限元模擬的計算誤差在可控制的范圍內(nèi)，驗證了模型的合理性.

4 實復及空復式鋼管混凝土節(jié)點抗震性能對比分析

4.1 梁端的應力變化以及荷載位移滯回曲線

圖11 節(jié)點應力云圖Fig.11 Nephogram of joint stress

由圖11可以看出，兩種組合結(jié)構(gòu)節(jié)點在達到破壞狀態(tài)時的破壞模式均是首先在梁根部發(fā)生屈曲變形.由彈性階段進入到屈服階段后，在水平端板與梁根部的連接處產(chǎn)生塑性鉸，繼續(xù)加載，梁端荷載傳向節(jié)點核心區(qū)，由核心區(qū)傳遞給柱子，節(jié)點周圍處于高應力區(qū)，最終由于梁根部的破壞導致試件破壞.在整個加載過程中，兩種組合結(jié)構(gòu)節(jié)點的核心區(qū)均沒有被破壞，滿足“強節(jié)點弱構(gòu)件”的設計要求.

圖12 兩種節(jié)點滯回曲線Fig.12 Hysteresis curves of two kinds of joints

由圖12可以看出，兩種節(jié)點的滯回曲線均較飽滿，但實復式的滯回環(huán)面積更大一些，說明實復式的耗能能力及抗震性能較好，即內(nèi)嵌的圓鋼管可起到有效的約束作用，抑制了內(nèi)部混凝土的開裂.節(jié)點耗能能力對比結(jié)果如表3所示，計算分析結(jié)果表明實復式鋼管混凝土節(jié)點的耗能能力相對空復式的提高了14%.

表3 節(jié)點耗能能力分析Tab.3 Analysis for energy dissipation capability of joints

4.2 節(jié)點骨架曲線

骨架曲線能夠反映出構(gòu)件的延性以及承載力，如圖13所示.延性是指結(jié)構(gòu)屈服后仍具有塑性變形能力的性能.本文采用位移延性系數(shù)μ來衡量，μ值越大，延性越好.延性比可表示為

(6)

圖13 節(jié)點骨架曲線Fig.13 Skeleton curves of nodes

實復式/MPa空復式/MPa實復式/空復式277.412761.01

表5 兩種節(jié)點延性對比Tab.5 Ductility comparison of two kinds of joints

4.3 強度退化

結(jié)構(gòu)的強度退化[11]采用承載力降低系數(shù)來表示，其表達式為

(7)

4.4 剛度退化

剛度退化取同一級的變形環(huán)線剛度來表示，環(huán)線剛度表達式為

(8)

圖14 強度退化曲線Fig.14 Strength degradation curves

圖15 剛度退化曲線Fig.15 Stiffness degradation curves

5 結(jié) 論