实复及空复式钢管混凝土梁柱节点抗震性能分析*

2019-07-19毕灵云

沈阳工业大学学报 2019年4期

王颖，毕灵云

(沈阳工业大学建筑与土木工程学院，沈阳 110870)

随着我国建设事业的迅猛发展，结构工程技术也得到快速发展.钢管混凝土最早应用于桥墩和工业厂房中.在20世纪80年代，外国学者主要研究了钢管混凝土的抗震性能和耐火性能[1-3].近年来，各国学者对钢管混凝土动力性能的研究也进一步深入，目前又开始了对复式钢管混凝土结构的研究.复式钢管混凝土结构就是在方钢管中加入了圆钢管，内嵌的圆钢管可以有效地约束内部混凝土，弥补了单层钢管混凝土对核心混凝土约束不足的缺点，同时外层的方钢管兼具外表美观、与梁连接方便等优势，具有良好的工程应用性.复式钢管混凝土又分为实复和空复式钢管混凝土两种结构，实复式钢管混凝土内嵌的圆钢管中浇有混凝土，空复式钢管混凝土内嵌的圆钢管中无混凝土，两种结构的截面如图1所示.实复式钢管混凝土结构能够充分发挥圆钢管的约束效应，空复式的结构具有较好的抗震性能和抗火性能，且自重相对较轻[4-5].把两种结构做对比，从而深入地分析两者抗震性能的具体差异.通过已经完成的试验数据，利用ABAQUS进行模拟，分析实复式钢管混凝土节点的破坏形态，将得到的结果与试验结果对比，若结果相对准确，则继续对空复式钢管混凝土节点进行模拟分析，对比分析两种节点的应力分布，为钢管混凝土结构在工程中的应用提供指导.

图1 实复及空复式钢管混凝土Fig.1 Solid and hollow multiple concrete filled steel tubes

1 试验概况

1.1 低周循环荷载试验

低周循环荷载试验就是对构件在正反两个方向上施加反复荷载，也叫拟静载试验，一般在模拟地震时使用.结构的抗震性能通过分析结构的滞回性能、骨架曲线、刚性和延性及耗能能力等抗震指标来体现.

1.2 试验节点模型

1.3 节点加载制度

模型加载时首先在柱顶施加轴向荷载，其次在梁的两端施加竖向循环荷载.加载过程与试验一致，采用位移加载控制.屈服前每级循环一次，从屈服开始每级循环三次.加载历程如图4所示.图4中，Δy为梁端屈服位移，t为加载时间.

图2 节点模型尺寸Fig.2 Joint model size

图3 节点详图Fig.3 Joint details

图4 加载制度Fig.4 Loading principle

2 有限元模型的建立

2.1 混凝土的本构关系

外方钢管与内圆钢管之间的混凝土受力较为复杂，且钢管混凝土柱在轴心受压作用下，也要考虑钢管与混凝土之间的相互作用.文献[4]通过引入约束效应系数ξ，提出了混凝土受压的本构关系式，即

(1)

(2)

(3)

2.2 钢材的本构关系

2.3 相互作用及约束条件

图5 混凝土受压应力应变关系曲线Fig.5 Stress-strain relation curves of concrete under compression

图6 三段线模型Fig.6 Triple linear model

2.4 有限元模型及单元划分

3 有限元模拟计算结果分析

he=E/(2π)

(4)

(5)

图7 节点模型及模型单元划分Fig.7 Joint model and model unit meshing

表1为模拟值与试验值数据对比.结果显示，数值模拟所得的滞回曲线能够较好地与试验滞回曲线相吻合，粘滞阻尼系数及能量耗散系数较接近，从而验证了模型的合理性.

图8 有限元模拟计算和试验滞回曲线Fig.8 Finite element simulated calculation and experimental hysteresis loop

图9 节点滞回曲线包络图Fig.9 Envelope diagram of joint hysteresis loop

参数模拟值试验值模拟值/试验值he0.360.311.16E2.261.931.17

骨架曲线是由滞回曲线上每级加载的峰值点连接得到的，通过有限元模型的滞回曲线可以得到其骨架曲线，如图10所示，模拟值与试验值的梁端承载力对比如表2所示.

图10 骨架曲线Fig.10 Skeleton curves

由图10及表2可以看出，有限元分析得出的梁端承载力大于试验得出的梁端承载力，且模拟得到的骨架曲线没有下降段，说明数值模拟与试验还存在一定的误差.这是因为有限元计算模型忽略了实际焊缝缺陷的影响，而实际试验梁端承载力的下降是由焊缝开裂导致的，所以有限元模拟得到的骨架曲线荷载值略高于试验荷载值.

表2 梁端承载力模拟值与试验值对比Tab.2 Comparison between simulated and experimentalvalues of bearing capacity of beam end kN

综合以上多组数据分析，有限元模拟的计算结果与实际试验结果相差不大，有限元模拟的计算误差在可控制的范围内，验证了模型的合理性.

4 实复及空复式钢管混凝土节点抗震性能对比分析

4.1 梁端的应力变化以及荷载位移滞回曲线

图11 节点应力云图Fig.11 Nephogram of joint stress

由图11可以看出，两种组合结构节点在达到破坏状态时的破坏模式均是首先在梁根部发生屈曲变形.由弹性阶段进入到屈服阶段后，在水平端板与梁根部的连接处产生塑性铰，继续加载，梁端荷载传向节点核心区，由核心区传递给柱子，节点周围处于高应力区，最终由于梁根部的破坏导致试件破坏.在整个加载过程中，两种组合结构节点的核心区均没有被破坏，满足“强节点弱构件”的设计要求.