钢管混凝土柱—环梁节点抗震性能的试验研究

刘静

摘 要：当前钢管混凝土柱-环梁节点这种新型的节点正在被人们所大量应用，文章将对他的抗震性能的试验进行详细说明。即通过有限元法研究该环梁节点处于低周反复载荷作用下发生的变化，分析其破坏形态、节点缝隙变化状态和梁端弯矩转角的滞回曲线。进而得出试验结论：钢管混凝土柱-环梁节点的混凝土柱与环梁节点相对独立，环梁节点处于破坏形态下一般并不影响其承载力。

关键词：钢管混凝土；节点；钢管混凝土环梁；破坏形态

本文介绍的钢管混凝土柱-环梁节点是一种新型环梁结构，其具体可以定义为：基于梁柱相对独立和抗震设计的一种钢管混凝土柱与钢筋混凝土柱的连接方式。该节点的设计思想是实现在地震中等水平低周往复作用下实现“强节点、弱构件”的抗震设计理念。

该环梁节点具体由三个部分组成，即钢筋混凝土环梁、钢管内侧柔性抗剪件和钢管外侧抗剪环，与传统的钢管混凝土和钢筋混凝土的节点结构有着较大区别。由于其更为优越的受力性能，该节点已在高层建筑、桥梁和地下等建筑结构得到广泛应用。然而虽然针对此类节点已经有过大量静力或动力的试验分析，但其抗震性能依旧有着一定的不确定性，因此对该节点的受力机理和破坏形态进行分析很有意义而且很有必要。

1 试验

1.1 模型构建

在本试验的模型构建中，各项设定具体为：

1.1.1 本文中钢管混凝土柱-环梁节点的框架梁与环梁砼等级、框架梁和环梁主筋和箍筋分别设定为C30、二级钢筋和一级钢筋。从图2中我们能够看到砼的应力-应变关系，它是由美国著名的学者E.Hogneste建议而产生的一个模型，他主要是利用数学中的抛物线来表示出两者之间的关系。

1.1.2 钢管混凝土柱-环梁节点中的管内核心砼等级设定为C50，其受压状态设定为三向受压状态，并对套箍系数f的影响做出充分分析，同时其本构关系设定为韩林海模型。

1.1.3 钢管混凝土柱-环梁节点中的钢管我们一般选择为Q235钢，钢材应力-应变关系设定是我们理想中的一种弹塑性模型，它是服从Vonmises的屈服准则，即：在有限元分析软件中表现为为双线性随动强化。

1.2 模型粘结滑移的模拟

由于现实中上的环梁节点中钢管与核心砼之间存在着一种相对粘结的滑移现象。然而该滑动位移量较小，基于这种实际情况，将其简化，即假设钢管与核心砼之间存在合理粘结，因此本文试验模型中将使钢管与核心砼两者的接触界面之间使用相同的节点。

而在钢筋混凝土粱中钢筋与砼存在较好锚固，因此这两者间的滑动位移影响较小，可以忽略不计，故而Link8和Solid65在此模型中使用相同的节点。

对于环梁混凝土与钢管壁，在本次试验中，这两者之间的摩擦模型将应用库伦摩擦模型模拟两者间的切向力传递，通过有限元软件ANSYS中所包含的面面接触模块来构建。

1.3 低周往复加载

本文中所描述的低周往复的模拟铰的运动，主要是通过数学中我们都了解的X、Y、Z三元的数学模型来表现的。其加载模式具体表现为在钢管砼柱的顶部加上一个0.3倍轴压比的轴压力，之后在两框架梁的自由端加上一个竖向往复载荷。通过使用力控制，从而使得每个等级的载荷都经过反复两次的加载。

2 试验结果及分析

构架模型之后，经过有限元软件分析，得出实验结果，在低周往复加载的情况下，试验结果如图4所示，该图表现为在低周反复载荷的影响之下环梁节点处于破坏形态时，钢管与环粱混凝土接触区域的滑动位移量最大的节点在各个载荷级别下表现出的滑移值。由图1可以分析得出，在各个载荷级别，环梁和柱两者之间的纵向相对位移滑动量都很小，其最大值仅为0.38mm。

图1

除此之外试验中的钢筋混凝土梁经过低周反复加载之后的缝隙扩展图如图2所示，由图分析可得，在顶部加上一个轴压比为0.3倍的轴压力，在此情况下环梁及框架梁均未出现裂痕；而若顶部加载的载荷维持恒定，在框架梁的两端加上低周反复的载荷，当框架梁的梁端加载到第4个载荷级别，此时梁端载荷具体为-6.5kN，在这一情况下环梁与框架梁的表面连接处出现了微量垂直于框梁的受弯缝隙；在之后的载荷级别中，这些受弯缝隙开始不断的发展变多。当加载上第12个载荷级别的时候，这次梁端的载荷具体为-19.5kN，环梁表面上开始出现多处纵向的缝隙，环梁侧面出现的纵向缝隙和斜缝隙，环梁侧面斜缝隙在钢筋锚固区外呈“八”字形状；当加载到19.9个载荷级别时，即梁端载荷为-23.4kN时，框架梁与环梁两者的连接处已经重度开裂，此时程序停止运行。

图2

对结果进行分析可以看出，当节点处于破坏形态下，环梁钢筋已弯曲变形，环梁与框架梁连接处的砼破坏严重，产生塑性铰，然而砼柱本身并未被破坏，符合“强柱弱梁”的抗震设计理念。而以往此类的实际试验已经证明，框架梁尺寸、环梁尺寸、环梁箍筋及环筋和框架梁纵筋的相对配筋量影响着各类节点的具体的破坏形态，因此通过此类设计，可以良好的实现“强连接，弱构件”的抗震设计理念。

试验结果图3是有限元软件模拟出的梁端弯矩-转角的滞回曲线，从图3可看出滞回环的形状呈现为弓形，并且表现出较明显的捏缩感。

图3 弯矩-转角滞回曲线

根据热力学定理可以分析确定，在考虑滑动摩擦的状态下，该滞回曲线的形态是合理的，环梁与钢管混凝土柱两者之间存在的摩擦力具有比较显著的耗能能力。除此之外在往复载荷运动的作用之下，试验模型中的环梁与钢管局部缝隙开合也具有耗能能力。

3 结语

经过对节点的试验，可以对钢管混凝土柱-环梁节点的抗震性能进行一个评定，即可以得出：

3.1 处于低周反复载荷作用下，塑性铰都出现于框架梁和环梁两者的相交处，环梁和钢管混凝土柱之间无显著位移和滑动情况出现，因此可以判断该环梁节点连接有着较高的可靠性，有着较高的抗震性能，体现出了“强节点、弱构件”的抗震设计理念。

3.2 基于滑动摩擦的存在，该新型节点中载荷-位移滞回曲线表现出一定程度收缩，而由于有限元法自身的局限性，滞回曲线的试验计算所得与实际存在将有一定的差异。此外该试验所得只能是实际存在的某一部。故针对实际节点约束条件和工作性能研究可以发现，该钢管混凝土柱-环梁节点具有良好的耗能能力，而这也是其抗震性能的体现。

3.3 该环梁节点的梁、柱相对独立，因此节点即使处于破坏形态下，也不会影响其承载力，体现出“强柱弱梁”的抗震设计理念。

参考文献

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