窑尾框架节点抗震性能分析

王庆江

窑尾框架节点抗震性能分析

王庆江

为了给窑尾框架结构节点的设计与分析提供参考，针对实际窑尾钢管混凝土框架梁柱节点在单调加载和低周往复加载下的受力、变形性能进行了研究。采用数值分析方法分析了窑尾结构典型梁柱节点的抗震性能，对节点单调加载下的承载力、低周往复荷载作用下的延性以及耗能能力等指标进行了比较。结果表明，加强环式钢管混凝土节点表现出典型“强柱弱梁”型节点的特征，节点具有良好的滞回耗能能力。

窑尾框架；节点；钢管混凝土；抗震性能；粘结滑移

Abstract:To provide reference for design and analysis of the preheater frame structure joints,aimed at the actual preheater concrete-filled steel tube beam-column joints,the force and deformation prop⁃erties under the monotonic load and cyclic reciprocating load was studied.With the numerical simula⁃tion method,the seismic performances of the beam-column joints of the structure was studied,and the study mainly focuses on the bearing capacity under monotonic loading,the ductility under low cyclic loading and the energy dissipation ability of the joints.Through the analyses,it could be concluded that the enforced loop joint of concrete filled steel-tubular column had typical characteristic of joint of"strong column and weak beam",and the joint had good ability of hysteretic energy.

Key words:preheater tower;joints;concrete filled steel tube;seismic performance;bond slip

随着高层建筑的不断发展，钢管混凝土梁柱节点形式不断丰富。常用的节点形式有：加强环式刚接节点、锚定板式刚接节点、十字板式刚接节点。其中加强环式刚接节点是目前研究最成熟、应用最广泛的一种节点类型。目前国内外对加强环式节点受力性能和抗震性能进行了大量研究[1-4]，研究及工程实践表明，加强环式刚接节点具有传力路径明确、节点刚度大、承载力高等优点，容易满足抗震设计中“强柱弱梁、节点更强”的要求。本文针对实际窑尾钢管混凝土框架梁柱节点，采用数值模拟方法，对其进行了节点极限承载力和抗震性能分析。

1 节点有限元模型的建立

节点选择按照以下两个原则进行：（1）相同柱截面的情况下选择梁截面最大和最小的两组节点；（2）优先选取设有支撑杆件的节点。所选取的5组节点板件尺寸见表1。

节点模型中钢管壁、钢梁采用薄壳单元模拟，混凝土采用体单元模拟，施加约束、荷载的边界单元采用刚体材料，以避免分析中出现应力集中和不真实的变形。节点模型选择梁、柱反弯点位置作为节点边界，即柱长度取为层高的1/2，梁长度取为主梁跨度的1/2。钢材选用服从VON-MISES屈服准则的双线性随动强化本构模型，材料的强化模量取为弹性模量的0.01倍，失效应变取为0.6。混凝土选用LS-DYNA中的16号材料模型MAT_PSEU⁃DO_TENSOR模拟。节点有限元模型如图1所示。

2 粘结滑移的模拟与验证

钢管与核心混凝土之间的协同互补作用是钢管混凝土具有一系列突出优点的根本原因，而钢管混凝土中钢管和混凝土之间的粘结强度直接影响到两种材料能否共同协同工作[5]，进而影响钢管混凝土结构和构件的受力性能，如破坏形态、承载能力以及裂缝和变形等。

图1 节点有限元模型

2.1 有限元模型中粘结滑移的模拟

由于钢管混凝土界面粘结滑移刚度沿着钢管长度方向上是变化的，而钢管混凝土连接界面上的内部滑移比较难测定，因此，计算中往往以构件平均粘结应力和构件端部（加载端或自由端）滑移的关系作为粘结滑移本构关系[6]。

本文对钢管与核心混凝土之间粘结滑移的模拟是通过在LS-DYNA中定义固连失效接触模型（*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SUR⁃

FACE_TIEBREAK）实现的。该接触模型是基于抗拉和抗剪强度建立固连失效准则，如图2所示。初始时刻钢管与核心混凝土之间处于固连状态，当接触应力σn和剪应力σs满足式（1）时固连作用失效，钢管和核心混凝土之间可以分离和滑移。

式中：

σn——法向接触应力

表1 节点参数

σs——切向接触应力

NFLS——法向失效拉应力

SFLS——切向失效应力

2.2 试验验证

为了验证本文所选用的本构模型和粘结滑移模型的适用性和有效性，采用上述材料模型和粘结滑移模型对内布拉斯加林肯大学Ahmed Elremaily和Atorod Azizinamini所做的钢管混凝土柱低周往复试验[7]进行了模拟，并将模拟结果与试验结果进行了对比。

图3为试件变形图与有限元模拟的对比，可以看出，所选材料模型和粘结滑移模型可以很好地模拟试件变形，尤其是试验中试件失效时中部由于刚性圆环的存在导致钢管混凝土柱向外突出的现象得到了很好的反应。

图4为往复荷载作用下柱端水平剪力与水平位移滞回曲线的比较，从图中可以看出有限元模型水平剪力峰值与试验结果一致，在Δy=14mm时有屈服剪力Py=708kN；加载后期节点域刚度退化现象与试验结果相近。试验实测曲线与有限元模拟的主要区别在于有限元模拟结果比实测曲线更加饱满，造成这一结果的可能原因是：（1）有限元模拟时所采用的材料本构模型在包辛格效应的反应上与实际材料存在差异；（2）没有考虑反复加载下的损伤累积效应。

综上所述，本文所选用的材料本构模型和粘结滑移模型以及模拟方法可以有效地模拟钢管混凝土结构在往复荷载作用下的各项力学性能和变形性能，可以用于钢管混凝土柱钢梁节点的抗震性能研究。

图2 失效准则

图3 试件变形比较

a 试验滞回曲线

图4 试件滞回曲线比较

3 节点单调加载有限元分析

本文选择在梁端施加竖向荷载，并保持柱顶轴向力的加载方式[8]，分析时在柱底端施加三向线位移约束、柱顶端限制水平线位移和出平面线位移，在梁端施加出平面线位移约束。

作为组合结构节点，钢管混凝土梁柱节点受力特点既不同于钢结构也不同于钢筋混凝土结构，针对这种节点的屈服荷载、位移和破坏位移的确定尚无统一的准则，本文中采用了“通用屈服弯矩法”（G.Y.M.M）来确定节点的屈服点和破坏点。通用屈服弯矩法原理如图5所示，对于图中这类无明显屈服点（拐点）的荷载位移曲线，过坐标原点作P-Δ曲线的切线与曲线最高荷载点Pmax点的水平线相交于B点，过B点作垂线并相交于P-Δ曲线于A点，作割线OA的延长线交水平切线DB于C点，过C点，由C点作垂线交P-Δ曲线于E点，则E点即为屈服点，相应的横、纵坐标即为屈服荷载Py、屈服位移对应于破坏荷载Pu的位移为极限位移，而试件的破坏荷载Pu定义为：

式中：

Pmax——加载过程中的荷载最大值

图5 通用屈服弯矩法原理

3.1 单调加载的荷载与位移（P-Δ）曲线

对窑尾框架节点进行单调加载的三维非线性有限元模拟分析，以考察其内力的分布情况和破坏机理。节点梁端剪力与竖向位移的P-Δ曲线如图6所示（以JD-1为例）。

图6 单调加载荷载位移曲线

根据单调加载的荷载位移曲线确定的Py、Δy、Pmax、Δu如表2所示，表中柱截面刚度（EI）c按《钢管混凝土技术规程》[11]取为:

式中：Es、Ec——柱截面钢管和混凝土的弹性模量Is、Ic——柱截面钢管部分和混凝土部分的惯性矩通过分析图6、表2中数据可以得到以下结论：

（1）单调加载下的荷载位移曲线均可以分为上升、水平和下降三个阶段，反映出节点在加载过程中经历了弹性阶段、屈服强化阶段和破坏阶段。荷载位移曲线光滑，没有明显的拐点。

（2）节点屈服承载力、极限承载力随着梁柱截面尺寸的不同有很大的差异，JD-2号节点屈服荷载和极限承载力均为最大，其值约是JD-4号节点的2.5倍。与梁截面尺寸相比，柱截面尺寸对节点性能的影响要小得多，表现在相同梁截面尺寸相同而柱截面尺寸不同的JD-3与JD-4具有相当的屈服荷载、位移以及破坏位移，而柱截面相同梁截面不同的JD-2与JD-5在屈服荷载、位移及极限荷载上差别很大。

表2 单点加载荷载位移曲线特征值

（3）节点屈服承载力、极限承载力与钢梁截面积成正比，钢梁截面积越大，节点屈服承载力和极限承载力越高。

3.2 节点破坏机理分析

单调加载过程中，随着荷载增大，靠近节点的梁端翼缘截面先进入塑性，随着荷载的继续增大，塑性区域在梁的上下翼缘逐步发展，随后在与梁连接的上下加强环板的部分区域屈服，但是塑性的发展区域有限；塑性在梁翼缘完全发展后，塑性在梁端腹板区域继续发展，直到整个梁端截面均发展为塑性。

造成以上现象的原因为：节点的柱刚度远大于钢梁刚度，虽然在节点域设有加强环，但梁是断开的，而柱是贯通的，所以在荷载作用下梁端截面达到屈服，整个过程中钢管混凝土柱及节点域仍处在弹性阶段，塑性区域主要在梁端发展，直到形成塑性绞或局部屈曲，节点的最终破坏均为梁端破坏。

4 往复荷载作用下节点滞回性能有限元分析

加载制度：首先向节点模型施加重力加速度，同时在柱顶施加大小为μP0的轴向压力，荷载持续一段时间后再在梁端施加往复荷载，荷载位移幅值如图7所示。在往复加载时各节点采用了相同的位移幅值和循环次数。

4.1 往复荷载作用下的荷载与位移（P-Δ）曲线

滞回曲线能够充分反应节点强度、刚度、延性和耗能能力等方面的力学特征，是分析节点抗震性能的重要依据。滞回环饱满程度及所围面积表征构件耗能能力。往复荷载作用下各节点的梁端荷载-位移滞回曲线如图8所示（以JD-1为例）。

通过分析各节点荷载位移曲线，可以得到以下结论：

图7 往复加载制度

图8 往复荷载作用下节点荷载位移曲线

（1）在加载初期，节点处于完全弹性状态，滞回曲线直线上升，卸载时没有残余变形，第一个加载循环形成的滞回环不明显，随着循环荷载幅值大于节点屈服荷载后，节点滞回曲线饱满呈梭形，说明所研究的加强环式钢管混凝土节点具有良好的滞回耗能能力。

（2）节点刚度退化趋势与单调加载时荷载位移曲线强化阶段的长度有关系，节点JD-1强化阶段最长，在往复荷载下其刚度退化最小。

4.2 节点抗震指标分析

滞回曲线的包络线称为骨架曲线，是每次循环加载达到的峰值的轨迹，由往复荷载作用下的节点滞回曲线得到节点滞回曲线的骨架曲线，如图9所示（以JD-1为例），各节点的骨架曲线均呈倒S形，表明节点在低周反复荷载作用下都经历了较为典型的弹性、塑性和极限破坏三个受力阶段。

图9 节点骨架曲线

4.3 延性系数

延性系数是衡量节点在屈服之后、破坏之前的塑性变形能力的指标，是评价节点抗震性能的重要参数。本文采用位移延性系数来评价节点的抗震性能，其表达式见式（4）。

式中：

Δy——节点屈服位移

Δu——节点极限位移

各节点的延性系数如表3所示。从表中可以看出：各节点的延性系数均＞3.0，说明各节点延性良好。

4.4 节点耗能指标

在地震作用下，节点不仅需要有足够的承载力和延性，还要具备相当耗能能力，才能保证节点在往复内力作用下不发生破坏。节点在往复荷载作用下的滞回曲线的饱满程度，可以直接反应节点的耗能能力，具体计算时采用滞回曲线所包围的图形面积来度量。常用的衡量节点耗能能力的指标有能量耗散系数E和等效粘滞阻尼系数he。

通过分析表4中数据可知，各节点等效粘滞系数均＞0.4，节点的耗能能力与节点的极限承载力并无直接关系，极限承载力较低的JD-3表现出了比承载力更高的JD-5更强的耗能能力。

5 结论

（1）单调加载下的强柱弱梁型框架梁柱节点的承载力主要取决于框架梁的高度、截面面积、翼缘宽度和承载力。

（2）荷载增大，梁端截面先进入塑性，塑性区域主要在梁的翼缘、腹板区域发展，节点加强板件屈服区域有限，节点的破坏发生在梁端。

（3）在节点从开始受力到节点破坏的完整过程中框架柱和节点域处于弹性阶段，对于窑尾框架梁柱节点，柱截面参数对节点影响较小。

表3 往复荷载位移曲线特征值

表4 节点耗能指标

（4）加强环式钢管混凝土节点具有良好的延性和耗能性能，各节点的延性系数均＞3.0，等效粘滞系数＞0.4，可以看出节点具有良好的抗震性能。

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The Seismic Performance Estimation of Preheater Frame Structural System Joints

WANG Qingjiang
(Tianjin cement industry design&research institute,Tianjin 300400)

TU398.9

A

1001-6171（2017）05-0071-07

2017-03-28； 编辑：赵 莲