帶加強(qiáng)型節(jié)點的裝配式輕鋼框架結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化★

孫小茜 賈穗子

(中國地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083)

0 引言

裝配式框架結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)在于梁柱連接節(jié)點，國內(nèi)外研究學(xué)者設(shè)計了一系列裝配式梁柱節(jié)點，以便增強(qiáng)裝配式框架結(jié)構(gòu)的抗震性能。同時梁柱裝配式節(jié)點的廣泛應(yīng)用可以降低焊接成本、提高施工的質(zhì)量、降低運輸費用，提高了安全指數(shù)。

本文通過對方鋼管混凝土裝配式連接節(jié)點的改造可以有效地推進(jìn)節(jié)點的推廣應(yīng)用，有利于達(dá)到我國建筑業(yè)節(jié)能降耗的目標(biāo)[1，2]。相比于其他普通的裝配式梁柱節(jié)點，加強(qiáng)型節(jié)點[3]表現(xiàn)出抗震、抗彎以及剛度性能優(yōu)越的特點。

1 試件概況

1.1 框架概況

本文采用三種不同的參數(shù)設(shè)計27個單層單跨輕型鋼管再生混凝土框架試件，梁、柱均采用方鋼管再生混凝土制成，見圖1。試件編號根據(jù)不同柱高度1 500 mm,1 750 mm,2 000 mm分類為ZP-1-n(n=1～9),ZP-2-n(n=1～9),ZP-3-n(n=1～9)，方鋼管再生混凝土框架結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點均為加強(qiáng)型連接節(jié)點。試件詳細(xì)信息分別見表1～表3。

表1 柱高度為1 500 mm時試件設(shè)計參數(shù)

表2 柱高度為1 750 mm時試件設(shè)計參數(shù)

表3 柱高度為2 000 mm時試件設(shè)計參數(shù)

1.2 加強(qiáng)型節(jié)點概況

梁柱均由兩個等邊角鋼一端用螺栓與梁栓接柱面焊接，另一端與柱面焊接，在角鋼中部焊接直徑為 20 mm 短鋼筋的加勁肋組成加強(qiáng)型節(jié)點構(gòu)造，見圖2。

2 有限元模型的建立

運用Abaqus有限元分析軟件建立27個模型試件，從part部分開始創(chuàng)建方鋼管梁柱體、角鋼、內(nèi)置鋼筋以及剛性加載頭加載梁等部件。由于螺栓受到復(fù)雜應(yīng)力，模型會發(fā)生不收斂的情況，所以對模型的梁柱節(jié)點連接處部分做出相應(yīng)的簡化。對構(gòu)件部分附加屬性時，鋼材考慮用理想彈塑性模型的本構(gòu)關(guān)系，不考慮應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系中的強(qiáng)化階段；由于再生混凝土受到方鋼管的約束，所以再生混凝土的本構(gòu)關(guān)系與無約束的情況下有所不同，再生混凝土考慮則選用損傷塑性模型，本構(gòu)關(guān)系參考Mander約束混凝土模型[4]和楊有福本構(gòu)模型[5]，受拉本構(gòu)模型則考慮選用普通混凝土本構(gòu)模型。

對模型材料附加屬性后，將加載梁與柱體、加載頭與柱體側(cè)面均采用綁定。節(jié)點與梁柱連接采用綁定約束。

在布置荷載時，先將框架柱底及柱腳方鋼管棱邊設(shè)置為固定邊界條件，幾何邊界條件不發(fā)生改變。step-1施加600 kN集中力的豎向荷載在頂端剛體加載梁上截面的幾何中心處(參考點RP-1)，使600 kN分配到柱頂端。step-2施加位移控制加載，施加在加載頭左側(cè)截面幾何中心處(參考點RP-2)，加載頭的幾何中心設(shè)置在與梁中心線等高。通過分布耦合約束將參考點與加載頭左側(cè)面進(jìn)行綁定，使得模型更好的進(jìn)行收斂，上端自由變形，下端底面邊界固定。

考慮到位移加載的方式要比力加載模式更容易收斂，本文模型采用水平單向單調(diào)位移控制加載如圖3所示。

3 應(yīng)力云圖對比

通過控制變量的方式來研究不同參數(shù)下對框架變形和節(jié)點破壞的影響。

3.1 混凝土強(qiáng)度對框架性能的影響

柱高和梁柱截面尺寸保持不變，只控制混凝土強(qiáng)度，分別澆筑C30再生混凝土、C40再生混凝土以及C50再生混凝土，從而來研究混凝土強(qiáng)度對框架性能的影響程度。27個模型組成9組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以具有代表性的一組數(shù)據(jù)為例，如圖4所示。

由圖4可得:柱腳和節(jié)點的損傷嚴(yán)重，已達(dá)到屈服，兩側(cè)柱子已發(fā)生明顯的彎曲變形。應(yīng)力云圖中構(gòu)件的變形以及Mises應(yīng)力數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)柱高和梁柱截面尺寸保持不變，隨著再生混凝土強(qiáng)度的增強(qiáng)，模型的損傷變形程度逐漸減小，結(jié)構(gòu)受到的應(yīng)力增大，但對提高框架的抗彎能力和剛度不明顯。

3.2 梁柱截面尺寸對框架性能的影響

柱高和再生混凝土強(qiáng)度保持不變，只控制梁柱截面尺寸，尺寸控制在100 mm×100 mm,120 mm×120 mm以及150 mm×150 mm，研究梁柱截面尺寸對框架性能的影響程度。以代表性的一組數(shù)據(jù)為例，見圖5。

由圖5各試件破壞應(yīng)力云圖中構(gòu)件的變形以及Mises應(yīng)力數(shù)據(jù)可得，當(dāng)柱高和混凝土強(qiáng)度保持不變，隨著梁柱截面尺寸增大，模型的損傷變形程度逐漸減小，結(jié)構(gòu)受到的應(yīng)力增大，表明增加梁柱截面尺寸能夠提高框架的抗彎能力和剛度，且增大截面尺寸比增強(qiáng)再生混凝土強(qiáng)度使得剛度和抗彎能力優(yōu)化明顯。

3.3 柱高對框架性能的影響

梁柱截面尺寸和再生混凝土強(qiáng)度保持不變，改變柱子高度，尺寸分別為1 500 mm,1 750 mm 以及2 000 mm，研究柱高對框架性能的影響程度。以具有代表性的一組數(shù)據(jù)為例，見圖6。

破壞應(yīng)力云圖中構(gòu)件的變形以及Mises應(yīng)力數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)梁柱截面尺寸和混凝土強(qiáng)度保持不變，隨著柱子高度的減小，模型的損傷變形程度逐漸減小，結(jié)構(gòu)受到的應(yīng)力增大，表明柱高減小，可提高框架的抗彎能力和剛度，分析得出柱高對框架性能的影響比其他兩種參數(shù)影響更大。

綜上所述，由圖4～圖6對比分析：試件的破壞主要發(fā)生在柱腳，變形主要發(fā)生在柱腳和連接節(jié)點，柱腳鋼板受力達(dá)到屈曲時，隨著位移角的增大，形成了塑性鉸，試件變形整體可控，表明連接節(jié)點對框架結(jié)構(gòu)起到加強(qiáng)作用。

通過優(yōu)化可得，增大再生混凝土強(qiáng)度與梁柱截面尺寸，同時降低柱高，可減小模型損傷變形，提高了裝配式框架的剛度。但是3個參數(shù)對框架的影響程度不同。當(dāng)柱子高度為1 500 mm時，ZP-1-5，ZP-1-6，ZP-1-7，ZP-1-8,ZP-1-9五個試件受到的破壞以及變形最小，說明柱高對加強(qiáng)型節(jié)點裝配式框架結(jié)構(gòu)的影響最強(qiáng)。其次是梁柱截面尺寸，對混凝土強(qiáng)度影響最小。

4 耗能曲線對比

以柱高為1 500 mm、梁柱截面尺寸為100 mm×100 mm以及再生混凝土強(qiáng)度分別為C30,C40,C50的模型為例，得出Artificial strain energy(偽應(yīng)變能)曲線、Internal energy(內(nèi)能)曲線以及Strain energy(彈性應(yīng)變能)曲線，列出ZP-1-1,ZP-1-4,ZP-1-7三組曲線，圖7中細(xì)曲線(Internal energy 內(nèi)能)在最上端斜率最大，能量為9×106J。粗曲線(Artificial strain energy 偽應(yīng)變能)變化很平緩。圖中偽應(yīng)變能小于內(nèi)能5%，模型沒有出現(xiàn)沙漏模態(tài)，模型能夠抵抗剛度變形，故分析出模型建立合理。

通過改變3個參數(shù)，對27組試件的耗能曲線對比可得：提高梁柱截面尺寸對試件的耗能能力影響最大，尤其是當(dāng)梁柱截面尺寸從120 mm×120 mm增加到150 mm×150 mm。其次是柱高對試件耗能的提升，混凝土強(qiáng)度的提升很微弱。其中ZP-1-9內(nèi)能消耗量為33.75×106J，彈性應(yīng)變能為27.75×106，其耗能能力是最強(qiáng)的；而試件ZP-3-1的內(nèi)能消耗量為3.75×106J，彈性應(yīng)變能為3.75×106，其耗能能力最弱的，兩者差異顯著。

5 結(jié)語

為了對加強(qiáng)型節(jié)點的裝配式方鋼管再生混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，本文考慮了3種變量對其進(jìn)行研究，包括混凝土強(qiáng)度、柱高以及梁柱截面尺寸。一共設(shè)計了27個試件，運用Abaqus軟件對其進(jìn)行非線性分析，主要得到以下結(jié)論：

1)隨著混凝土強(qiáng)度的提升、梁柱截面尺寸的增大以及柱高的降低，都使得模型損傷變形程度逐漸減弱，提高了裝配式框架的剛度。

2)柱高對加強(qiáng)型節(jié)點裝配式框架結(jié)構(gòu)變形的影響最強(qiáng)，其次是梁柱截面尺寸，影響最小的是混凝土強(qiáng)度。

3)隨著混凝土強(qiáng)度的提升、梁柱截面尺寸的增大以及柱高的降低，試件的耗能能力都得到了提高。

4)增強(qiáng)混凝土強(qiáng)度，其他參數(shù)不變，能夠提高試件耗能能力約為7.05%；增加梁柱截面尺寸提高試件耗能能力約為109.35%；降低柱高彈性應(yīng)變能提高約50.55%。梁柱截面尺寸對試件的耗能能力的提高最大，其次是柱高的影響，混凝土強(qiáng)度的影響最小。

5)27個試件中，ZP-1-9耗能能力以及抵抗變形的能力最強(qiáng)，試件ZP-3-1耗能能力和抵抗變形的能力最弱，兩者差異很大。