十字形钢管混凝土柱-钢梁节点抗剪性能研究

赵 毅，闫梦辉

(中原工学院 建筑工程学院，河南 郑州 451191)

异形钢管混凝土柱-钢梁框架结构是使用钢材和混凝土两种材料组合而成的一种新型组合结构，能充分利用钢材和混凝土的材料特性，既具有承载力高、塑性性能好等优点[1]，又具有异形框架结构布置灵活、不突出墙体、增大房屋使用空间等优点。梁柱节点性能是影响框架结构性能的重要因素，节点处于复杂应力状态[2]，要承受来自梁柱传递的轴力、剪力和弯矩，节点一旦失效，将导致结构的承载力急剧下降，造成严重的后果。

国内外学者已对钢管混凝土梁柱节点抗剪问题展开了一系列研究。许成祥等[3]通过对4个弱节点和强节点型内隔板节点进行拟静力加载试验，发现弱节点破坏为核心区的剪切破坏，随着轴压比增加，节点抗剪承载力提高。聂建国等[4]为研究方钢管混凝土柱剪切屈服问题，建立了内隔板节点的抗剪受力模型，利用此模型分析了内隔板节点的受剪和变形等问题。基于已有钢管混凝土节点，提出一种新型侧板连接异形钢管混凝土柱-钢梁节点。侧板平贴于节点域，高于工字梁并沿其轴线方向外延伸一定距离，节点大样如图1所示。侧板对节点区域加强明显，该节点施工方便，传力明确，与墙平齐。

图1 节点大样图(td:侧板厚度)

论文围绕新型节点抗剪问题展开研究，根据节点核心区的破坏模式，提出新型节点在节点核心区的剪切屈服机制，揭示节点传力机理。为了实现这一目的，应确保构件节点核心区剪切破坏之前不发生弯曲破坏。构件设计时采用加厚柱翼缘钢板的方式来提升柱的抗弯承载能力，如图1(2-2剖面图)中阴影部分。和钢梁连接的柱肢为腹板肢，未与钢梁相连的另一肢为翼缘肢，节点核心区是梁柱相连的区域，它包括侧板、腹板肢和翼缘肢。

由于该类节点仍未在实际工程中推广应用，相关研究较少，因此采用有限元模拟的方法，对其进行拟静力加载，分析新型节点工作机理、轴压比及侧板厚度对节点抗剪承载力的影响。

1 模型设计

本文以平面框架中的中柱节点为研究对象，参照实际工程，按12缩尺设计了5个节点模型，分别考虑了轴压比和侧板厚度对此类节点抗剪性能的影响，具体几何尺寸参数见表1。钢管柱、钢梁和侧板均采用Q235钢材，核心混凝土为C40混凝土。

表1 节点模型几何尺寸参数表

2 有限元模型建立

模型构件包括十字形钢管柱与核心混凝土、侧板、工字钢梁。核心混凝土采用ABAQUS中塑性损伤模型(Concrete Dam-aged Plasticity)，由于轴压作用下钢管对核心混凝土的约束效应，本文选用韩林海[5]本构模型，可考虑此约束效应的影响，混凝土应力-应变曲线如图2(a)所示。钢材本构选用线性强化弹塑性模型，如图2(b)所示。钢管与混凝土采用面与面接触，切向行为采用库仑摩擦模型，法向行为定义为硬接触[6]。钢管柱、侧板及工字钢梁采用绑定约束(TIE)。模型所有部件均采用三维实体单元(C3D8R)模拟，节点域部位网格划分更密，保证计算精度。

图2 材料本构模型

本文选用JGJ101-2015《建筑抗震试验方法规程》[7]推荐的柱端加载方式，加载示意图如图3所示，柱顶面与参考点RP1耦合，限制其y方向的平动及y、z方向的转动，通过在柱顶面施加压强来模拟柱顶轴力，对参考点RP1施加往复水平位移来模拟拟静力加载，位移增量为5 mm。柱底面与参考点RP2耦合，只可以绕着y轴转动，其余自由度全部约束。左右梁端面分别于RP3、RP4耦合，限制y、z方向平动及x、z方向转动。

图3 有限元模型

3 有限元结果分析

3.1 模型破坏过程及形态

JD1在低周往复荷载作用下的Mises应力云图如图4所示。

图4 JD1的Mises应力云图

由图4(a)可以看出：当水平位移增至36.59 mm时，侧板及十字形钢管混凝土柱腹板肢腹板达到屈服强度，此时节点其余部件均处于弹性阶段，随着加载的持续进行，加载至96.31 mm时，侧板及十字形钢管混凝土柱腹板肢腹板应力持续增加，直至达到钢材极限强度，此时节点达到极限承载力，极限承载力为272.78 kN，此时Mises应力云图如图4(b)所示。

由有限元结果可知，节点模型发生的是剪切破坏，节点核心区在柱顶压力、弯矩、剪力和梁端传递的弯矩、剪力作用下[8]，梁端弯矩以拉压力的形式传递给节点区柱腹板、混凝土和侧板。节点核心区柱翼缘与侧板形成一个封闭的钢框架约束着核心混凝土，能有效约束核心混凝土的开裂变形，阻止节点承载力明显下降。当承受外荷载作用时，节点核心区腹板肢腹板和侧板首先达到屈服强度。继续加载，节点核心区腹板和侧板大部分区域均到达屈服强度。进一步加载，节点核心区腹板和侧板变形明显，达到极限强度，塑性铰贯穿，由于此时核心混凝土尚未达到极限压应变，节点仍可继续承载。加载过程中，核心混凝土应力主要分布在对角线方向的倾斜带状区域，由于往复力的作用，倾斜带状区域不断变换，当加载到一定值时，核心混凝土达到极限压应变，混凝土膨胀开裂明显，此时节点成为几何可变体系，节点不能进一步承载。节点的受力机理为钢桁架、混凝土主斜压杆和约束斜压杆的综合作用。

JD2、JD3、JD4和JD5的破坏现象及特征与JD1模型相似，所有模型各阶段的荷载及位移见表2，观察节点骨架曲线发现，骨架曲线持续上升，并无平滑或者下降段，参考聂建国[4]对此类问题的处理办法，取层间转角变形为0.06 rad时的节点承载力为极限承载力。

表2 节点模型各特征点处荷载及位移

3.2 滞回曲线与骨架曲线

各模型柱端荷载-位移滞回曲线如图5所示。

图5 节点模型滞回曲线

由图5可知：节点模型均呈饱满的梭形，捏缩效应不明显，说明新型节点塑性性能和耗能能力较好。

各节点模型的骨架曲线如图6所示。

图6 节点模型骨架曲线

由图6(a)可知：在加载前期，JD1、JD2和JD3骨架曲线基本重合，说明轴压比的改变对节点初始刚度没有影响，轴压比的改变只对节点加载后期有一定影响，随着轴压比的增加，节点极限承载力略有增加，即增大轴压比可以提升节点受剪承载力。由图6(b)可知：节点极限承载力和初始刚度由高到低依次为JD5、JD4、JD1，说明随着侧板厚度的增加，节点初始刚度和极限承载力相应增加。这是因为节点发生核心区剪切破坏，侧板在剪切破坏中起到了重要作用，所以侧板厚度增加，其承担剪力的能力也相应提升。

3.3 延性及耗能能力

各模型位移延性系数μ及黏滞阻尼系数he如表3所示。

表3 节点模型抗震性能指标

由表3可知：节点模型延性系数为2.43～2.92，均大于普通混凝土结构通常要求的位移延性系数2，说明新型节点模型具有良好的延性；节点模型等效黏滞阻尼系数为0.35～0.41，而普通钢筋混凝土结构一般为0.1，型钢混凝土结构一般为0.3[9]，说明新型节点具有良好的耗能能力。

4 结论

(1)节点模型破坏表现为节点核心区的剪切破坏，节点核心区侧板及腹板肢腹板首先屈服，随着加载持续进行，在此位置塑性铰贯穿，核心混凝土受力符合斜压杆机理，节点的受力机理为钢桁架、混凝土主斜压杆和约束斜压杆的综合作用。

(2)轴压比和侧板厚度对新型节点受剪承载力有一定影响，增大轴压比或侧板厚度，节点受剪承载力提高，增加侧板厚度可以提升节点初始刚度。

(3)新型节点具有良好的延性及耗能能力，所有节点模型延性系数为2.43～2.92，等效黏滞阻尼系数为0.35～0.41，满足结构抗震设计要求。