钢管再生混凝土柱钢梁节点抗震性能非线性有限元分析

2016-12-29张阳阳中建四局第六建筑工程有限公司安徽合肥230012唐榕合肥市市政工程管理处安徽合肥230022朱凯中交二公局第六工程有限公司陕西西安710065

长江大学学报(自科版) 2016年34期

张阳阳 (中建四局第六建筑工程有限公司，安徽合肥 230012)唐榕 (合肥市市政工程管理处，安徽合肥 230022)朱凯 (中交二公局第六工程有限公司，陕西西安 710065)

为了研究钢管再生混凝土柱-钢梁框架节点的抗震性能，基于已进行的试验，在选取合适的本构关系后，选用大型有限元软件ABAQUS对试验中的不同再生骨料取代率下框架节点进行非线性分析；并在已建立的模型的基础上，改变轴压比和梁柱线刚度比参数，探究不同试验参数对节点抗震性能的影响。研究结果表明，将理论计算得到的滞回曲线和实测滞回曲线对比后发现吻合较好，钢管再生混凝土柱-钢梁节点具有较好的耗能能力，不同骨料取代率对节点的抗震性能影响不明显；轴压比对节点弹性阶段无明显影响，增大轴压比不利于节点的后期承载力；梁柱线刚度比越大，有利于节点的初始刚度和承载能力的提高；研究成果可为该类节点的工程实际应用提供理论支撑。

钢管混凝土柱；节点；拟静力试验；抗震性能；非线性分析

钢管混凝土结构良好的抗震性能已广泛受到设计人员的青睐，矩形钢管混凝土柱-钢梁节点组成的框架结构体系已在我国的高层及超高层中逐渐被使用。历次的大地震灾后调查发现[1，2]，大多数的建筑多见节点破坏，因为节点在地震中受到轴力、弯矩、剪力共同作用，受力复杂，极易发生较为严重的破坏[3]。而节点是结构中的重要和关键部位，故研究节点的抗震性能对于整体结构而言，具有重要的现实意义。

现阶段，国内外学者关于钢管混凝土柱-钢梁节点的研究成果较为丰富，多见于不同截面形式普通钢管混凝土柱-钢梁节点抗震性能试验的研究。国内学者周天华等[4]、张玉芬等[5]、丁永君等[6]、陈志华等[7]、李威等[8]、刘记雄等[9]、林明森等[10]对不同截面形式的钢管混凝土柱-不同形式的钢梁节点进行了一系列试验研究和理论分析，研究结果表明该类节点具有良好的抗震性能。而关于钢管再生混凝土柱-钢梁框架节点抗震性能则较少，苏益声等[11]研究了方钢管再生混凝土柱-带加强环钢梁节点的抗震性能，结果表明该类型节点具有较好的抗震性能。除此之外，尚未见到不同再生骨料取代率下钢管再生混凝土柱-钢梁节点抗震性能的试验研究及有限元分析。

因此，基于已完成的试验[12]，笔者拟采取合适的本构关系，对不同再生骨料取代率下框架节点进行有限元分析，评价有限元分析结果与实测结果的吻合度；并根据以建立的模型，改变轴压比和梁柱刚度比参数，探究不同参数对框架节点抗震性能的影响，以期为该类型节点的应用和推广提供理论支持。

1 试验概况

1.1 试件设计与制作

试验一共制作了2根钢管再生混凝土柱-钢梁框架节点试件模型，按照“强柱弱梁，强节点弱构件”设计制作，其再生骨料取代率分别为50%、100%，试件编号为JD-1、JD-2。柱子选用方钢管矩形柱，截面尺寸150mm×150mm，壁厚为3.5mm。试件模型示意图见图1。试验轴压比为0.3，施加在柱顶上的轴力为450kN。方形钢管内均填充混凝土等级为C40的再生混凝土，实测混凝土的立方体抗压强度为39.5N/mm2。工字钢梁截面H100mm×210 mm×5 mm×6mm，钢梁是由3块钢板融透焊接形成。1m3再生混凝土质量配合比为水泥：砂∶水∶骨料=421.3∶523.2∶208.5∶1021.2，当取代率为50%时，天然骨料和再生骨料各取一半，当取代率为100%时，则全部使用再生骨料。

图1 试件模型示意图(单位：mm)

图2 加载示意图

1.2 加载装置及加载制度

为了更好的探究框架节点的抗震性能，选择使用作动器对节点试件进行加载。柱顶端施加恒定的轴力不变直至试验结束，柱顶端同时与固定在反力墙上的作动器相连，通过作动器施加低周反复荷载。加载方式采用荷载-位移混合加载控制，试件屈服前采用荷载加载，直到试件滞回曲线出现拐点，再换成位移加载。加载位移选择试件的屈服位移，每级循环3次，而试件屈服前的荷载加载时仅循环1次。直到试件的承载力下降至极限荷载的85%或试件无法继续加载时方停止加载，加载示意图见图2。

2 有限元模型

选择大型有限元分析软件ABAQUS，用以分析矩形钢管再生混凝土柱-工字形钢梁框架节点在低周反复荷载下的受力性能，为了尽可能使得模拟情况和实际加载情况相同，现将具体建模过程叙述如下。

2.1 单元选取和网格划分

建模时，均选取实体单元，这样可以更精确模拟出实际中试件的尺寸、相应位置等条件。核心再生混凝土采用Solid65单元，该单位的优点在于可以很好的考虑混凝土的变形，如徐变或收缩等。钢板和焊缝选取Solid45单元。划分网格时，选用映射自定义网格划分，在加强环周边需要对网格进行适当加密，以得到较好的精度。

2.2 材料本构关系

1)钢材的本构关系钢材选择是Q235B，将试件拉伸得到实测数据，见文献[12]。为了使得模拟结果更为准确，将实测数据用于试件材料的参数，选取三折线表达式。

2)再生混凝土的本构关系有限元分析时，只有参数设置正确了，才能得到较好的模拟结果。普通混凝土的本构关系已有学者进行了较多研究，而关于再生混凝土本构模型还没有统一的规定，故需要更为慎重选取再生混凝土的本构模型。钢管混凝土结构这种特殊的结构形式，使得混凝土被钢管约束和包裹，故其力学性能更为复杂。其复杂主要表现在核心混凝土塑性会增强，主要体现在峰值应力对应的应变增大以及应力-应变曲线下降段退化较为平缓，引入约束效应系数ξ用于衡量这种变化：

(1)

式中，As、Ac分别为钢材和混凝土的截面积，m2；α为含钢率；fy为钢材屈服强度，Pa；fck为混凝土轴心抗压强度标准值，Pa。

混凝土受压本构关系采取文献[13]用的本构关系，混凝土受拉本构关系采取文献[11]用的本构关系。

2.3 边界条件与加载方式

首先对试件加载时边界条件进行简化，柱底为铰接，柱顶部有滑动小车，使得柱在受轴力的同时也可以产生水平移动，梁端有定向支座，可以产生水平移动。柱顶部千斤顶提供的轴力可以折算成均布压力，因轴力较大，可假设柱顶平面侧向刚度无穷大。加载时，先在顶端施加荷载，再在加载段中心线位移施加水平荷载。在有限元ABAQUS中，设置2个荷载步，首先在柱顶端施加均布荷载，同时需根据轴力大小来调整步长，直到加载结束；其次荷载步为水平荷载的施加，采用位移控制。

3 模型验证

将2根试件模拟计算的曲线和实测的曲线绘制于同一张图形中，见图3。水平极限承载力实测值和计算值见表1，实测和计算极限承载力对比见图4。

图3 实测和计算滞回曲线对比

从图3、图4及表1可知：

图4 实测和计算极限承载力对比

1)2根试件有限元模拟计算曲线和实测曲线有一定的符合度，模拟结果大致可描述出试件加卸载规律，但也存在一部分的分离。原因主要有以下2点，一是因为有限元模拟是理想情况下的加载曲线，而实际试验中存在制作和安装等一系列不可避免的误差，但模拟是根本未考虑这些误差。二是因为实际加载过程中存在加载、卸载、再加载、再卸载等循环形成的滞回曲线，而有限元采用的是单调加载时的应力-应变关系，故造成了两者滞回曲线出现了偏离。

2)2根试件JD-1、JD-2极限承载力实测值和计算值相差不大，基本接近，实测值与计算值比值分别为0.93、0.89，差别较小，离散性较小。

表1 水平极限承载力对比

从滞回曲线和极限承载力来看，建立的有限元模型可很好模拟出钢管再生混凝土柱-钢梁框架节点在低周反复荷载下的受力性能，可见笔者建立的模型是正确可行的。从实际工程来看，有限元模拟计算结果可基本满足精度要求，为拓展分析提供了理论可能。同时，2根试件的极限承载力比较接近，实测滞回曲线形态也大体相同，且2根试件模拟滞回曲线也比较接近，说明不同再生骨料取代率对节点抗震性能影响较小。

4 参数影响分析

实际工程中，存在各种各样的情况，不可能一次试验能穷尽所有节点的受力性能。通过建立的有限元模型，分析了不同再生骨料取代率对节点抗震性能的影响，验证了建立的有限元模型是正确和合理的。因此，可以改变不同的变化参数，运用有限元模型进行模拟，分析不同参数对节点抗震性能的影响，以满足实际工程中各种不同情况的要求，为实际工程提供依据。

4.1 轴压比

研究节点的轴压比取为0.3，在实际工程中，根据建筑物的实际需要，需确定不同的轴压比。模型采取和试件JD-1相同，仅改变竖向力来实现不同的轴压比，分析的轴压比为0.4、0.5，故其对应的轴压分别为600、750kN。利用有限元软件模拟分析出不同轴压比下的骨架曲线，见图5；不同轴压比下极限承载力对比如图6所示。

图5 不同轴压比下骨架曲线

图6 不同轴压比下极限承载力对比

从图5、图6可知，不同轴压比对初始弹性阶段的刚度影响极小，其曲线基本重合。这是由于弹性阶段，柱二阶效应还不突出，说明轴压比对节点的刚度不产生明显影响。随着加载的进行，节点的刚度逐渐变小，说明存在刚度退化，越到加载后期，刚度退化越快。随着轴压比的增大，节点极限承载力逐渐降低，且后期退化阶段的刚度退化速率也加快。这是由于节点轴压比越大，钢管柱的二阶效应越来越突出，节点稳定性也就越差，故轴压比越大对节点后期承载能力越不利。

4.2 梁柱线刚度比

设计试件的梁柱线刚度比为1.23，梁柱线刚度比可以反映出梁对柱的约束程度，其值越大，则梁对柱约束作用越大。模型采取和试件JD-1相同，仅改变梁跨度来实现不同的梁柱线刚度比，分析的刚度比分别为1.35和1.50。利用有限元软件模拟分析出不同梁柱线刚度比下的骨架曲线，见图7；不同梁柱线刚度比下极限承载力对比图见图8。

从图7、图8可知，梁柱线刚度比越大，试件的初始刚度也越大，说明梁柱线刚度比对试件初始刚度有显著影响。梁柱线刚度比越大，节点试件所达到的极限荷载也越大，这是由于梁柱线刚度比越大，梁刚度越大造成节点的抗弯承载力也越大，故其承载力也越大。梁柱线刚度比对节点骨架曲线退化阶段影响不大，其退化曲线大致平行。这是因为在加载过程中，梁端塑性铰不断形成和发展，其梁刚度减小，故梁柱线刚度比对其影响不大。

图7 不同梁柱线刚度比下骨架曲线

图8 不同梁柱线刚度比下极限承载力对比

5 结论

1)不同再生骨料取代率对钢管再生混凝土柱-钢梁框架节点抗震性能影响较小，有限元软件模拟计算出的滞回曲线和实测滞回曲线有一定的吻合度，说明建立的有限元模型是可行的。

2)轴压比对节点弹性阶段无明显影响，但对节点的后期受力影响较大，增大轴压比不利于节点的后期承载力。

3)梁柱线刚度比越大，有利于节点的初始刚度和承载能力的提高，但对节点后期退化阶段的影响不明显。

4)钢管再生混凝土柱-钢梁框架节点的抗震性能优越，可在抗震设防区及超高层建筑中推广使用。

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[编辑] 计飞翔