部分包裹混凝土柱与钢梁节点的抗震性能

王 姗 秦明珍

内蒙古科技大学建筑与土木工程学院

部分包裹混凝土柱与钢梁节点的抗震性能

王 姗 秦明珍

内蒙古科技大学建筑与土木工程学院

随着新型建筑结构的不断发展与研究，部分包裹混凝土柱（Partially Encased Concrete）以高承载力、中耐火性能的优越特点在建筑工程中被广泛使用。在某油田储油库的建造过程中，截取4组部分包裹混凝土柱与钢梁外伸端板连接点作为试件，通过试验研究试件的结构强度及抗震性能。通过有限元分析可以看出，端板是耗散地震能量的主要部位，增大端板厚度可以有效增加节点承载力；背垫板能够明显改善结构的各类性能，设置背垫板等支撑可以明显提高节点性能，是改善节点刚度的有效措施。

储油库；部分包裹混凝土柱；节点；加载；抗震性能

随着新型建筑结构的不断发展与研究，部分包裹混凝土柱（Partially Encased Concrete，简称PEC）以高承载力、中耐火性能的优越特点在建筑工程中被广泛使用。这是一种集钢结构和混凝土优良性质的组合结构，对该种新型结构柱已做过相关研究[1]，并得出考虑了含钢率、轴压比、剪跨比等对设计参数的影响：含钢率提高，构件变形能力提高；轴压力增大，柱的变形能力降低；剪跨比影响曲线形状。节点作为传递弯矩、剪力、轴力的重要部分，是结构设计控制的重点。

欧洲规范中按框架的转动刚度和有无侧移将节点分为刚性节点、半刚性节点和柔性节点。而半刚性节点的协调关系最为优越，既融合了刚性和柔性节点的优点，又使结构保持稳定和耗能较低。这种优越的结构性质，对于提高储油库的安全、抗震和防火性能具有重要意义。

1 试验概况

在某油田储油库的建造过程中，截取4组部分包裹混凝土柱与钢梁外伸端板连接点作为试件，通过试验研究试件的结构强度及抗震性能。

1.1 试件设计

根据节点形式设计了4组试验，编号为JD—1～JD—4。所有均为Q235—B钢材，试件梁长均为1 100mm，截面为I20 a。柱子采用部分包裹混凝土组合柱，且上下贯通，高度为1 800mm。梁和柱采用高强螺栓通过外伸端板连接，端板和钢梁之间采用双面角焊缝连接。柱翼缘采用系杆将两侧拉结，这样不仅能保证柱翼缘和混凝土有效拉结，还能抵御一部分外荷载，起到双重保险作用。翼缘两侧填充C30混凝土即可。

1.2 加载装置及位移控制

采用拉压千斤顶和电业伺服作动器加载，柱水平放置于地上，柱端用水平限位梁限制其位移；拉压千斤顶一端与反力墙连结，另一端同钢梁铰接，在梁端施加轴向荷载。试验加载制度采用荷载—位移双控制[2]的方法。试件屈服前应采用荷载控制并分级加载，逐级递增，4个试件的加载步长均取极限荷载的10%（大约6 kN），每级循环2次；当试件屈服后，由于力很难继续保持稳定在一个数值上，改用位移控制模式。

位移控制同样也采用分级加载的方式，加载步长取试件屈服时最大位移值的0.25倍（大约6mm），每级循环3次。

1.3 测量内容以及测点布置

试验测量的主要参数为梁端施加荷载、梁端部位移大小和节点区域应变数据。

荷载可以通过压力传感器进行测量；梁端位移、梁中部位移、端板位移采用位移计测量；节点区域应变数据可以通过电阻式应变片和自动采集系统进行统计。

2 试验结果及分析

2.1 试验现象

JD—1试件：在加载到42 kN拉第1次时，翼缘处的柱内横向系杆屈服，柱内对应梁翼缘混凝土出现竖向裂缝。继续加载至54 kN时梁达到屈服。此后由位移控制，当加载到0.5Δy时柱翼缘屈服；继续加载柱翼缘与混凝土裂缝增大，继续加载至2.25Δy端板拉裂，混凝土被压碎。

JD—2试件：在加载到48 kN时横向系杆屈服，继续加载至54 kN梁进入屈服阶段。此后用位移控制，达到1Δy时，端板屈服，柱翼缘与混凝土有微小裂缝，并逐渐延伸；达到1.75Δy时，梁翼缘出现鼓曲，端板焊缝出现微小裂缝并扩展；达到2.5Δy时，端板被拉裂，混凝土被压碎，螺栓孔有较大变形。

JD—3试件：在加载到48 kN时横向系杆达到屈服，达到54 kN时梁达到屈服状态。此后用位移控制，达到1.5Δy时，端板鼓曲变形；达到2.25 Δy时，混凝土与柱翼缘缝隙继续扩展，端板裂缝也继续开展；达到2.5Δy时，端板变形过大。

JD—4试件：这是4个试件中最强的试件，其承载力、变形能力、延性、刚度、耗能能力都达到最佳状态。加载至60 kN时横向系杆屈服，加载至66 kN时，端板达到屈服应变，但各处变形不明显，原因是背垫板增加了节点的刚度，加强了该处的强度。加载至0.5Δy时，梁下翼缘屈服，混凝土和柱翼缘之间的裂缝扩展；加载至1.25Δy时荷载下降，这是由于端板与梁焊接处形成了裂缝；加载到2Δy时，焊缝上的裂缝基本贯通，试验停止。

2.2 滞回曲线

滞回曲线是反应结构抗震性能优劣的简单客观图形。由各试件滞回曲线可见，试件在加载初期，残余变形较小，为弹性阶段[3]；在进入位移控制加载阶段后，各个试件存在着此消彼长的状态。

（1）各个图形的承载力不一样，JD—4由于背垫板和竖向加劲肋的作用，其承载力最好。

（2）各个试件的滞回曲线较为饱满，呈现出良好的抗震性能，说明部分包裹混凝土柱和钢梁外伸端板连接节点是一种良好的半刚性节点。

（3）随着端板厚度的增加，曲线所围面积越多，节点的耗能性能越好。这是由于端板越厚，耗散地震能量的能力越大。其极限荷载由52.38 kN提高到了79.24 kN，说明端板厚度的增加对试件抗震性能及变形能力有明显改善。

3 有限元分析

3.1 模型建立

采用ABAQUS建立4组试件的有限元分析模型，采用与试验相同的试件尺寸。本文中型钢梁采用四节点减缩积分格式的壳单元（S4R），其他组件采用八节点一阶线性减缩积分格式的三维实体单元（C3D8R）。有限元分析模型见图1。钢材本构关系采用四阶段模型[4]；混凝土材料本构关系为普通的应力应变关系；螺栓的本构关系则采用两阶段模型，强化段的模量可取值为0.01 Es。

图1 有限元模型

3.2 试验结果与计算结果对比

选取部分包裹混凝土柱与钢梁外伸端板连接节点滞回性能中的骨架曲线进行对比。由对比结果可以看出，在两个加载作用下，有限元模拟的结果与试验结果吻合良好，荷载的最大差值为2.09 kN；位移的最大差值为12.07mm。因此，该模拟能够较好地反应试件的受力状态。

3.3 节点中端板受力性能分析

由于部分包裹混凝土柱与钢梁外伸端板连接节点是研究的重点，因此将各试件节点中端板的应力云图取出，进行进一步对比分析。通过Mises应力云图分析可知，端板在上下两侧的两排螺栓中部所受应力最大，加设竖向加劲肋端板受力明显减小。

4 结论

在某油田储油库建筑建造过程中，通过对4组包裹混凝土柱与钢梁试件的性能分析得出：这种连结方式是一种典型的半刚性节点，能够吸收地震能量；通过有限元分析，可以看出端板是耗散地震能量的主要部位，增大端板厚度可以有效增加节点承载力；背垫板能够明显改善结构的各类性能，设置背垫板等支撑可以明显提高节点性能，是改善节点刚度的有效措施。采用这种包裹形式的结构组件，

可以提高油田储油库建筑的抗震性能，降低维护率，提高使用期限，是油田地面工程中值得推广和使用的优良技术。

[1]赵根田，李鹏宇．H型钢部分包裹混凝土组合短柱抗震性能的试验研究[J]．内蒙古科技大学学报，2008，27（4）：12-15.

[2]王金昌，杨森．大型LNG全容罐抗震隔震设计[J]．油气田地面工程，2009，28（10）：53-55.

[3]陈绍蕃，顾强．钢结构[M]．北京：中国建筑工业出版社，2003．

[4]韩林海，杨有福．现代钢管混凝土结构技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.

13904724970、zhilin681962@163.com

（栏目主持杨军）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.6.006

王姗：内蒙古科技大学建筑与土木工程学院副教授，主要从事钢结构理论与设计研究。