方钢管约束型钢再生混凝土柱-钢梁节点抗震性能分析

刘 坚，毛 捷，陈 原，周观根，于志伟，任 达

(1. 广州大学 土木工程学院，广东 广州 510006； 2. 浙江东南网架股份有限公司，浙江 杭州 311209)

0引 言

再生混凝土作为一种新型环保建筑材料，既能解决废弃混凝土对环境造成的污染，又能大幅控制对天然山石的过量开采[1]，近年来一直受到国内外相关学者的广泛关注。相关研究表明，由于再生骨料所存在的天然缺陷，其强度发展、弹性模量、收缩、徐变等性能都与普通混凝土有一定的差异，尤其是在延性上，与普通混凝土相比较差[2-12]，目前在工程上的应用尤其是主体结构的应用较少。为改善再生混凝土的力学性能，将再生混凝土与钢材结合，外围增加钢管约束，内部增设骨架支撑形成钢管型钢再生混凝土，是一种良好的改性方法。一方面提高了核心再生混凝土的承载力，延性和耐久性能大幅度改善。另一方面，核心再生混凝土的包裹能够防止内部骨架的屈曲破坏，在外围钢管发生鼓曲破坏时，核心再生混凝土仍然具备良好的抗拉压性能。二者的组合有效地弥补了2种材料的不足，充分发挥了各自的优点，成为一种有效的结构形式。

目前，已有很多学者开展了钢管再生混凝土构件的抗震性能研究[13-18]，结果表明：由于外钢管对再生混凝土的约束作用，在一定程度上弥补了再生混凝土力学性能上的不足。钢管再生混凝土柱的破坏过程和破坏形态与钢管普通混凝土柱相类似，钢管再生混凝土具有较好的工程应用前景。然而相对构件而言，节点的受力情况更加复杂，在地震的作用下，节点的抗震性能更加关键。国内外学者针对再生混凝土柱梁连接节点进行了卓有成效的研究，已经取得了一定的成果[19-21]。对型钢再生混凝土框架中节点的动力力学性能有了一定研究[22]，而对钢管再生混凝土节点的抗震性能还少有报道，且局限于全焊接外加强环刚性连接形式[23-25]。此类节点在施工过程中需要进行现场施焊，施工条件易受环境和场地的限制，节点刚度过大。国外震害调查表明，节点处的焊缝在地震作用时常发生脆性破坏，对结构整体造成重大的损害。辅以高强螺栓的半刚性连接能够提高节点更大的变形能力，同时焊接部分不需要现场施焊，可以让焊接质量得到更高的保障[26]。然而穿柱高强螺栓螺杆交叉不便于多向梁柱和圆形钢管柱节点的设计和施工，另外高强螺栓施加的预紧力和受力时螺杆对核心混凝土的各向扰动使得核心再生混凝土的受力更为复杂，对本身存在一定缺陷的核心再生混凝土耐久性不利。外套管单边螺栓连接可以有效缓解这一问题，无需穿柱的单边螺栓连接有利于节点的设计和施工，同时节点域核心再生混凝土受力相对简单，有助于提高再生混凝土的耐久性。外套管能够有效防止钢管柱壁被单边螺栓拉裂，并提高对节点域核心再生混凝土变形的约束能力。

本文对外加强环全焊接刚性节点、采用单边螺栓的外套管式端板连接半刚性节点以及顶底角钢全螺栓连接半刚性节点3种形式的方钢管约束型钢再生混凝土柱-钢梁节点进行了非线性有限元分析，研究其抗震性能，并在此基础上对影响外套管式端板半刚性连接节点进行了参数分析。

1模型的建立

1.1模型有效性验证

为验证材料模型、界面接触及单元类型对分析钢管再生混凝土柱抗震性能的适用性，采用ABAQUS有限元软件对文献[25]中方钢管再生混凝土柱-钢梁外加强环刚性节点的抗震性能试验试件JD2-10-50以及文献[27]中穿芯螺栓端板式钢管混凝土与钢梁连接节点JD-S23试件进行了同参数模拟分析。

1.2材料本构

钢材的材料本构模型采用双折线随动强化模型，钢材强化阶段模量为αEs，通常系数α取0.01。再生混凝土采用ABAQUS中考虑损伤因子的混凝土塑性损伤模型，再生混凝土本构关系采用文献[16]中对不同骨料取代率下的方钢管再生混凝土受压本构关系，见式(1)，(2)；由于外钢管的约束对再生混凝土的受拉性能影响很小，核心混凝土受拉本构关系按照现行规范采用。

(1)

fcu,R/fcu,0=0.19R2-0.249R+0.789

(2)

其中

1.3单元选取和接触条件

钢管和再生混凝土均采用8节点减缩积分格式的三维实体单元(C3D8R)。混凝土和钢管柱壁的接触以及钢材与钢材之间的接触考虑黏结应力和界面切向力的传递，采用Coulomb摩擦模型，摩擦因数分别取0.6，0.45[16]，法向接触为硬接触。内部型钢构件被核心混凝土包裹，两者之间的接触采用Embedded模式。高强螺栓预紧力采用螺栓荷载沿轴线施加，螺栓帽接触面与钢板用Tie绑定；不考虑焊缝的脆性撕裂，焊缝连接部位采用Tie绑定。

1.4边界条件和加载方式

考虑地震作用下的几何非线性重力二阶效应和更好地反映钢管再生混凝土柱的受力状况，加载方式为柱端加载，柱底部设定为铰接，顶部加载端为自由端，梁边界设定为只能水平移动。柱上端截面与参考点耦合在一起，先在柱顶施加轴向荷载，然后水平方向进行低周循环加载，为了保证模型的计算收敛性，水平加载制度为位移控制。

1.5模型分析与已有试验对比

采用以上简述的建模方法对选取的文献试验研究进行了同参数模拟分析，计算结果与试验结果对比见图1，图1(a)为外加强环方钢管再生混凝土柱-钢梁节点试验与有限元分析滞回曲线对比，图1(b)为穿芯螺栓端板式钢管混凝土-钢梁节点试验与有限元分析滞回曲线对比。从两者对比结果可以看出，节点在循环荷载作用下，有限元计算出的滞回曲线在节点承载力下降阶段与试验有所偏差，但误差相差不大，两者曲线基本吻合，滞回环面积趋于一致，相对误差范围在5%以内。这说明有限元建模方法可以保证钢管再生混凝土柱与钢梁连接节点分析的准确度。

2抗震性能分析

2.1有限元模型

对比分析不同类型钢管约束型钢再生混凝土柱-钢梁节点的抗震性能，分别建立了相同轴压比和梁柱线刚度比情况下的外加强环全焊接刚性连接节点JD1、外套管式端板连接半刚性连接节点JD2和顶底角钢全螺栓连接半刚性连接节点JD3。钢材屈服强度为345 MPa，再生混凝土强度等级为C40，钢管再生混凝土柱截面形式为方形截面，直径为300 mm，壁厚为8 mm，柱高为1 800 mm。工字钢梁长为1 500 mm，截面尺寸为250 mm×180 mm×6 mm×9 mm，轴压比n=0.2，梁柱线刚度比k=0.48。试件参数见表1。

图2为3种节点形式的有限元模型及剖面示意图，其中JD1节点钢梁、外加强环分别与钢管柱壁焊接，钢梁翼缘与上下外加强环焊接；JD2节点外套管与钢管柱壁焊接，端板与钢梁焊接，端板通过高强螺栓与钢管柱壁、外套管连接；JD3节点钢梁上下翼缘通过顶底角钢及钢梁腹板通过腹板角钢与外套管、钢管柱壁用高强螺栓连接。

2.2计算结果与分析

2.2.1模型破坏形态和应力云图分析

对比分析了3类节点在屈服阶段和破坏阶段节点模型破坏应力云图以及破坏阶段各节点模型核心再生混凝土的受力状态，见图3，4。

由图3，4可知，外加强环全焊接节点JD1模型最大应力出现在外加强环与钢梁翼缘交接处以及加强环外的钢梁腹板、翼缘处，材料应力超过了屈服强度，材料的力学性能得到了充分利用。当模型节点处于屈服强化阶段时，在外加强环外端，梁翼缘开始出现塑性铰，随着位移的加大，梁端应力迅速发展，塑性铰逐渐变大，形成的时间要早于节点JD2和JD3，钢管柱壁和外加强环无塑性铰的出现。

外套管式端板半刚性节点JD2和顶底角钢全螺栓节点JD3模型最大应力均在高强螺栓处，钢梁和端板的应力也进入了屈服强化阶段。在屈服阶段，外套管端板发生细微的弯曲变形，吸收了一定的能量，梁端翼缘未发现塑性铰的形成；当模型节点逐渐进入破坏阶段时，端板变形增大，和外套管之间产生缝隙，梁端塑性铰慢慢形成，出现的时间相较JD1节点模型要晚。钢管柱壁和外套管在屈服阶段无明显的变形，破坏阶段在单边螺栓的拉力下，发生了细微的鼓曲变形。

JD3节点模型由上下顶底角钢和腹板角钢通过全螺栓连接而成，由于钢梁与柱之间无直接刚性连接，地震能量很大部分由顶底角钢变形吸收，在模型加载的整个过程当中，钢梁发生了一定的屈曲变形，但是梁端的塑性铰并不明显，在顶底角钢与外套管壁的连接处出现了明显的间隙。当模型节点进入屈服阶段后，高强螺栓的最大应力逐渐由钢管柱壁处转移到梁翼缘处，表明了节点受力逐步由顶底角钢受弯逐渐向钢梁翼缘受弯剪变化。

表1试件参数Tab.1Parameters of Specimens

在外套管的约束保护作用下，外套管式端板连接节点模型JD2和顶底角钢连接节点模型JD3内的核心再生混凝土最大应力明显小于外加强环节点模型JD1，非穿芯的单边螺栓连接使得节点域受力主要集中在钢管壁和外套管处，而核心再生混凝土的受力相对简单。在外围钢管和外套管约束作用下，极大地削弱了节点域核心再生混凝土的横向变形，有利于再生混凝土在结构中的应用。

2.2.2滞回曲线和骨架曲线

图5为模型滞回曲线和骨架曲线对比。从图5(a)可以看出，在不考虑焊缝脆性断裂的情况下，外加强环JD1节点的滞回环面积最大，承载力最高，吸收能量大，但是破坏位移值较低，伴随梁端塑性铰出现较快，模型承载力迅速下降。从图5(b)可知，外套管式端板JD2节点滞回环面积和承载力较大，由于外套管和端板的变形吸收了部分能量，梁端出现塑性铰的时间较晚，破坏位移值和延性相对较高。从图5(c)可知，全螺栓角钢连接JD3节点模型的承载力和滞回环面积明显小于JD1，JD2模型，但破坏位移值最大，刚度退化较慢，展现了良好的延性。

2.2.3延性系数和耗能能力

采用各模型的位移延性系数μ来反映屈服后的变形能力，表达式为μ=Δu/Δy，其中Δu为试件承载力下降至峰值荷载的85%(破坏荷载)后对应的破坏位移，Δy为试件在到达屈服荷载时相应的屈服位移(由能量等效法确定)。耗能能力也是反映构件抗震性能的一个重要指标，如能量耗散系数(滞回环的总能量与弹性能的比值)、等效黏滞力阻尼系数、滞回累积总耗能等。表2，3分别给出了节点JD1～JD3模型在正、负2个加载方向上的平均位移延性系数和滞回耗能系数。

综上所述，对不同方钢管约束型钢再生混凝土柱-钢梁节点连接形式的滞回抗震性能分析表明：

(1)在不考虑焊缝脆性断裂的前提下，外加强环JD1和外套管式端板连接JD2节点域的刚度较大，应力云图显示破坏变形主要出现在梁端，塑性铰明显，JD2端板和外套管略微发生鼓曲变形。全螺栓顶底角钢JD3节点变形主要出现在顶底角钢，梁端塑性铰不显著，承载力相对较小。

(2)由于柱内型钢提高了钢管再生混凝土的抗侧能力和整体刚度，外围约束降低了柱的横向变形，节点域无穿芯构件使得核心再生混凝土受力相对简单，在轴压比不高的情形下，各模型的核心再生混凝土应力较小，没有拉应力的出现。节点破坏时，核心再生混凝土仍然具有较高的承载能力。

(3)通过低周循环加载得出的3个模型滞回曲线均呈现饱满的弓形，其中JD1滞回环面积和承载力最大，JD2略有减小，JD3相对较小。随着位移的增加，JD1梁端塑性铰出现较早，承载力迅速下降；JD2也具有较高的承载力和滞回耗能能力，由于端板提供了一定的变形能力，梁端塑性铰出现较晚，承载力下降较JD1节点要缓；JD3的滞回环面积和极限水平承载力相对较小，节点域连接构件变形较大，梁端无明显塑性铰出现，承载力下降较慢。

(4)从表2看出，JD2，JD3节点的平均延性系数比JD1分别提高了9%和11%，正向破坏位移值分别提高了24%和31%，负向破坏位移值分别提高了13%和16%，半刚性连接相对刚性连接位移延性提升较大。由表3可知，JD1，JD2节点的滞回环面积较大，滞回耗能能力明显强于JD3，分别提高了41%和30%。通过对比分析可知，外套管式端板连接JD2的极限抗侧承载力、抗震延性以及滞回耗能能力都表现良好，是一种较为有效的钢管型钢再生混凝土柱-钢梁连接节点形式。

表2各节点模型荷载、位移及延性系数Tab.2Load,Displacement and Ductility Factor of Joint Models

表3模型滞回耗能系数Tab.3Hysteretic Energy Dissipation Coefficients

3外套管式端板连接节点荷载-位移影响参数分析

以上非线性仿真分析表明，外套管式端板连接钢管约束型钢再生混凝土柱-钢梁节点在抗侧刚度、极限水平承载力和抗震延性、滞回环耗能上都较强。为了更深一步地研究影响其抗震性能的参数变化，以下分别从轴压比、梁柱线刚度比、钢材屈服强度、再生骨料取代率、端板厚度及外套管厚度6个方面进行了参数分析。

3.1轴压比

图6(a)为外套管式端板连接钢管约束型钢再生混凝土柱-钢梁节点在不同轴压比情况下的荷载-位移曲线。由图6(a)可以看出，随着轴压比n的增加，节点的弹性刚度有下降趋势，极限抗侧承载力明显下降。在进入塑性强化阶段后，考虑二阶效应的影响，随着轴压比的增大，刚度退化加快。轴压比对节点的极限承载力和刚度退化影响较大，在弹性阶段影响不明显。

3.2梁柱线刚度比

图6(b)为外套管式端板连接钢管约束型钢再生混凝土柱-钢梁节点在不同线刚度比情况下的荷载-位移曲线。线刚度比k为梁的线刚度和柱的线刚度比值。从图6(b)可知，随着梁柱线刚度比的增加，节点的弹性阶段刚度下降，极限水平承载力降低。荷载-位移曲线在强化阶段几乎平行，梁柱线刚度比对节点模型的刚度退化规律没有影响。

3.3钢材屈服强度

图7(a)为外套管式端板连接钢管约束型钢再生混凝土柱-钢梁节点在不同屈服强度Q下的荷载-位移曲线。由图7(a)可知，随着钢材屈服强度Q的增加，模型分析的弹性刚度基本一致，屈服位移和极限水平承载力显著提升，而在塑性强化阶段的延性、刚度退化规律上的影响不明显。参数变化影响的规律与纯钢柱-钢梁节点类似，说明通过单边螺栓和外套管的形式，节点域的受力主要集中于外围套管、高强螺栓、端板等钢材上。

3.4再生骨料取代率

图7(b)为外套管式端板连接钢管约束型钢再生混凝土柱-钢梁节点在不同取代率R下的荷载-位移曲线。如图7(b)可知，在外围约束降低了柱的横向变形，柱内型钢增加核心再生混凝土整体刚度，节点域无穿芯构件的情况下，再生骨料取代率R对外套管式端板连接半刚性节点的抗震性能影响不大。弹性刚度和屈服位移无明显变化，但刚度退化有减小的趋势。总体上再生混凝土在此类节点的抗震性能与普通混凝土基本类似。

3.5端板厚度

图8(a)为外套管式端板连接钢管约束型钢再生混凝土柱-钢梁节点在不同端板厚度tep下的荷载-位移曲线。从图8(a)可以看出：不同端板厚度的节点在塑性强化阶段的曲线基本平行，端板厚度对节点的位移延性影响不大；随着端板厚度tep的增大，端板抵抗变形的能力增强，节点的抗弯刚度有所增大，根据对应的荷载-位移曲线可知，端板厚度的增加能够提升节点的弹性刚度和极限水平承载力，但提升的幅度随着端板厚度的继续增大而越变越小。对比18 mm和24 mm端板厚度的节点荷载-位移曲线可以发现，两者趋于一致，继续增大端板厚度对节点的性能影响甚微。

3.6外套管厚度

图8(b)为外套管式端板连接钢管约束型钢再生混凝土柱-钢梁节点在不同外套管厚度tos下的荷载-位移曲线。从图8(b)可以看出，外套管厚度影响变化规律和端板厚度影响变化规律相似，增加外套管厚度tos有助于提高节点的弹性刚度和极限水平承载力，但增幅相对端板厚度变化而言较低，同样，变化影响的幅度随着厚度的继续变大而越来越小。

4结语

(1)从基于提高核心再生混凝土整体刚度和耐久性角度出发，在加强外围约束，增加内部型钢支撑且无穿柱构件的情况下。核心再生混凝土在循环荷载作用下变形和扰动较小，受力简单，基本没有拉应力的出现，且3种类型的连接节点破坏变形均发生在梁端及端板等连接构件上，有利于再生混凝土在工程中的应用。

(2)外加强环全焊接刚性节点抗侧承载力较高，滞回耗能能力良好，但破坏位移值较低。顶底角钢全螺栓半刚性节点抗侧承载力和耗能能力相对较低，而破坏位移值较高。相对而言，外套管式端板连接节点在抗侧承载力、滞回耗能能力和延性性能上均良好，同时焊接部位可以在构件加工厂内完成，无需现场焊接，施工环境良好，焊缝质量便于检测，能够有效保证焊缝的质量，减少地震作用中焊缝脆性破坏的风险，是一种有效的节点连接形式。

(3)对外套管式端板连接节点而言，轴压比主要影响节点的极限抗侧承载力和刚度退化能力，在弹性阶段影响不大，柱截面设计时在满足承载力的情况下，尚应考虑轴压比产生的地震二阶效应带来的影响；梁柱线刚度比对节点的极限抗侧承载力影响较大，对刚度退化影响甚微，在符合强柱弱梁的前提下，可以适当提高梁柱线刚度比；钢材屈服强度的增加使得节点的极限抗侧能力增加，但对弹性阶段的刚度和强化阶段的刚度退化影响较小；再生骨料取代率对节点的荷载-位移曲线无明显影响，但延性有略微下降的趋势；外套管和端板的厚度增加可以提高节点的弹性刚度和极限承载力，但是增幅随着厚度增大而越来越小。

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