火灾后钢管混凝土柱与H型钢梁节点抗震性能的有限元分析

任德斌，王溥麟，王 芬

(1.沈阳建筑大学 土木工程学院，沈阳 110168；2.大连广播电视大学庄河分校，辽宁 庄河 116400)

钢管混凝土结构作为一种新型的结构体系而被广泛地应用，是将混凝土浇筑到钢管内，使得钢管与混凝土协同作用，即钢管对混凝土的约束作用，使混凝土的强度提高，延性变好。由于钢管内部含有核心混凝土，其局部抗屈曲能力有所提高，以此来提高结构的承载能力。钢管混凝土柱与钢梁通过外加强环相连，分析钢管混凝土柱与钢梁节点处的抗震性能很有必要。

国内外学者对钢管混凝土结构进行了研究。程威等[1]对钢管混凝土柱-H型钢梁框架节点的力学性能进行研究，研究结果表明，竖向T形加劲肋和局部竖向T形加劲肋连接的圆钢管混凝土柱-H型钢梁节点均具有良好的延性和耗能能力。邵鹿峰等[2]对方钢管混凝土柱-H型钢梁组合节点抗震性能进行试验研究，结果表明，该类型节点具有良好的延性和抗震性能。李德山等[3]对钢管混凝土柱-钢梁单边螺栓连接节点力学性能进行研究，结果表明，单边螺栓作为一种连接闭合截面的新型紧固件，具有良好的力学性能，工作性能安全可靠。Talebi Elnaz等[4]进行了非线性热应力分析，模拟了钢管混凝土柱在地震作用下的火灾反应，验证了所提出的有限元模型的有效性。

目前，针对梁柱节点抗震性能的分析，大多还停留在常温状态下，而针对火灾后梁柱节点的研究相对较少，因此，本文以火灾后钢管混凝土柱与H型钢梁连接节点为研究对象，分析节点抗震性能。

1 火灾影响分析

本文在研究过程中，使用ISO-834标准升温曲线，其表达式如式(1)所示。

T=T0+345lg(8t+1)

(1)

式中：T0为室温，一般取20℃；t为受火时间；T为受火后的温度。

进行火灾作用分析时，钢管混凝土柱与钢梁同时受火，对流换热系数取25(W/m2·℃)，发射率ε=0.5，为便于计算，本文在进行有限元分析时，忽略部件之间的热阻[5-7]。

火灾计算完成后，将火灾计算结果ODB文件导入力学分析模型中，分析构件火灾后的力学性能。

2 火灾后钢管混凝土柱与H型钢梁节点抗震性能分析

2.1 构件参数

钢管混凝土柱与H型钢梁节点构件的基本参数如表1所示。

表1 构件参数表

注：B90C90表示梁与柱同时受火90分钟。

2.2 本构关系模型

(1)高温后钢材的本构关系模型

采用双折线模型描述自然冷却条件下构件内部的钢材应力-应变关系[8]。本文中钢管、钢梁采用该模型，具体如下。

(2)

式中：

本文中钢材采用Q345，受火时间60min后，钢材强度有所下降，不同温度下其应力-应变关系如图1所示。

图1 不同温度下钢材应力-应变关系

(2)高温后混凝土的本构关系模型

火灾后钢管混凝土柱受轴向力作用，外部钢管会对混凝土产生一定的约束。由于钢管直接与火源接触，因此受火时材料强度下降较快，强度存在一定的损失。为能近似的模拟火灾情景，针对混凝土本文采用文献[8]中的本构关系进行研究，混凝土强度采用C50，混凝土应力-应变关系可用式(3)、式(4)表示。

εo(T)=εo[1+(1500T+5T2)×10-6]

(3)

(4)

式中σ0为常温阶段混凝土峰值应力。

高温后，混凝土受高温作用，产生严重裂化现象，材料刚度与强度较常温时大幅度降低，其应力-应变关系如图2所示。

图2 不同温度下混凝土应力-应变关系

2.3 有限元模拟的模型建立

(1)单元类型和网格划分

混凝土、外钢管以及钢梁采用易于模拟较大网格扭曲和大应变分析的三维实体单元(C3D8R)；为提高模拟结果的精度，网格划分时，钢骨与混凝土网格对应，且三向尺寸相近。

(2)加载方式与边界条件

模型加载时，柱顶施加轴向荷载，柱底部及左、右梁均采用铰接，柱顶端施加水平往复荷载，模型加载及网格划分示意图如图3所示。

图3 模型加载和网格划分示意图

2.4 有限元模拟结果

2.4.1 变形模态分析

以火灾后节点C12-B90C90为例进行有限元模拟。加载初期，钢梁与钢管都未出现明显的破坏现象；继续加载，钢梁上翼缘钢板出现了轻微的屈曲；不断加载，屈曲现象越来越明显。通过变形模态云图发现，前钢梁上翼缘钢板大面积发生屈曲，且腹板也开始屈曲，后钢梁的下翼缘钢板也呈现出不同程度的损坏，腹板开始屈曲。变形云图见图4所示。

图4 构件变形云图

2.4.2 柱顶水平荷载(P)-水平变形(△h)滞回曲线

通过有限元模拟得到C11-B90C90、C12-B90C90、C13-B90C90三组试件柱顶水平荷载-水平位移滞回关系曲线，如图5所示，滞回曲线总体呈现纺锤形，曲线较饱满，说明钢管混凝土柱-钢梁连接节点在经历火灾作用后仍然具有良好的抗震性能，耗能能力较强。

分析图5有如下特点：

(1)虽然钢梁在经受火灾后材料强度存在一定损失，但整体上滞回曲线仍然饱满，未出现捏缩现象。

图5 水平荷载-位移曲线

(2)随着柱顶施加的水平位移逐渐增大，刚度出现退化，主要原因是试件变形增大的同时截面弯矩-曲率也逐渐增大，导致钢管混凝土和钢梁的屈服范围逐渐增大。

(3)针对C11-B90C90、C12-B90C90两组试件，柱顶端施加的轴力皆为180kN，C13-B90C90柱顶施加的轴力为274kN，其对应的荷载比分别为0.4和0.6，通过观察滞回曲线发现，柱荷载比n=0.6相比于n=0.4，滞回曲线更早的出现下降段，并且下降幅度更大。

2.4.3 节点耗能分析

耗能能力是衡量节点抗震性能的一项重要指标，耗能能力越大，则在地震来临时吸收和消耗地震能量也就越大，针对具有较强的抗震性能的构件，相关学者在进行节点耗能能力分析时，大多采用等效粘滞阻尼系数he和能量耗散系数E进行评价，通过对C11-B90C90、C12-B90C90、C13-B90C90三组构件分析，得到钢管混凝土柱与钢梁节点耗能相关指标，如表2所示。

表2 钢管混凝土柱与钢梁节点耗能指标

由表2可知，三组构件等效粘滞系数he的平均值为0.3357；对于钢筋混凝土节点，其等效粘滞系数为0.1左右，型钢混凝土节点为0.3[9]。经历火灾作用后的构件等效粘滞系数超过了型钢，说明本文所研究的构件满足结构抗震要求。

2.4.4 不同荷载比(n)时的受力分析

图6是不同荷载比下试件的骨架曲线。

图6 不同荷载比下试件的骨架曲线

C12-B90C90、C13-B90C90的荷载比分别为0.4和0.6，通过图6骨架曲线对比发现，随着钢管混凝土柱荷载比逐渐增大，其承载力逐渐降低，并且进入强化阶段后，其刚度也随着荷载比的增加而减小，强化阶段变短。

2.4.5 不同梁柱刚度比时的受力分析

C11-B90C90、C12-B90C90两组试件荷载比、受火时间及受火方式相同，唯一不同的是钢梁高度h，C11-B90C90、C12-B90C90两组试件梁高分别为140mm和170mm，不同梁高对应的梁的刚度也不同。图7为不同梁柱刚度比的骨架曲线，在其他条件一定的情况下，试件承载力和刚度与梁柱线刚度比呈正相关关系，随着梁柱线刚度比的增大，位移延性也略微增加。

图7 不同梁柱刚度比骨架曲线

3 结论

(1)通过节点耗能分析，得到三组试件火灾后的等效粘滞系数平均为0.3357，大于钢筋混凝土节点等效粘滞系数0.1、型钢混凝土节点等效粘滞系数0.3，说明试件具有较强的耗能能力。

(2)以荷载比与梁柱刚度比为研究参数进行火灾后受力分析，结果表明，在其他条件不变的情况下，随着钢管混凝土柱荷载比逐渐增大，其承载力逐渐降低，并且进入强化阶段后，其刚度也随着荷载比的增加而减小，强化阶段也变短。在只改变梁柱刚度比的情况下，试件承载力以及刚度与梁柱线刚度比呈正相关关系；随着梁柱线刚度比的增大，位移延性也有略微增加。