轴压比对钢筋混凝土框架节点抗震性能的影响

吴小满，董锦坤，王 静

轴压比对钢筋混凝土框架节点抗震性能的影响

吴小满1，董锦坤1，王 静2

（1.辽宁工业大学 土木建筑工程学院，辽宁 锦州 121000；2.浙江建设职业技术学院建筑工程学院，浙江 杭州 310000）

利用大型有限元软件ABAQUS及有限元分析方法，应用钢筋混凝土框架节点的建模方法，研究了轴压比对节点抗震性能的影响。根据ABAQUS软件建立了试件模型，通过骨架曲线、耗能能力、滞回曲线等多个角度来研究低周反复循环加载对节点的抗震性能影响。轴压比越大钢筋混凝土框架节点抗震性能越好。

有限元；建模方法；抗震性能；轴压比

在钢筋混凝土框架结构中，节点是结构破坏的核心部位，是抗震体系中的关键环节，承受并分配梁和柱传来的力，对整个结构的整体性、安全性和稳定性具有极其重要的作用。但是目前对影响节点抗震性能的许多影响因素尚不明确。在地震等荷载作用下，只有明确了这些因素对节点受力机理的影响才能真正做到“强节点”。由于试验研究需要花费大量人力、物力和时间，并且试验研究又受各种因素的影响比较大，往往测量的数据和内容有限。本文以钢筋混凝土框架边节点为研究对象，通过3组不同轴压比的试件研究了轴压比对钢筋混凝土框架节点抗震性能的影响。

1 有限元模型

本次有限元分析的试件是以某试验中用于探讨节点受力性能所用的试件，结合《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)[1]和《钢筋混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)[2]的相关要求，以及参照文献[3]确定试件尺寸和配筋，如图1所示。

图1 试件的尺寸及配筋

通过ABAQUS创建模型的基本步骤，最终建立的模型如图2所示。

图2 有限元模型

2 加载方式

采用控制位移加载法进行低周反复循环加载[4]，取梁端屈服位移为1.75 mm。对于试件KJ-1、KJ-2、KJ-3，在KJ-1柱子上端施加恒定的荷载=152.88 kN，轴压比为0.2；在KJ-2柱子上端施加恒定的荷载=229.20 kN，轴压比为0.3；在KJ-3柱子上端施加恒定的荷载=305.6 kN，轴压比为0.4。然后在梁端部施加低周反复荷载，同时制定具体加载方式如图3所示。

图3 加载方式

3 结果分析

3.1 滞回曲线

通过对试件KJ-1、KI-2、KJ-3提取的滞回曲线、骨架曲线、耗能能力、位移延性、承载力退化等进行分析，来讨论轴压比大小对节点抗震耗能能力、变形特征、刚度退化等性能的影响。得到的滞回曲线如图4所示。

图4 滞回曲线

通过图4各试件的滞回曲线可知，轴压比越大，滞回曲线越饱满，并且极限位移、极限荷载和循环次数也都有一定的提高。试件KJ-1的滞回曲线不饱满，略扁长，且有捏拢现象，呈现出反S状。试件KJ-2、KJ-3滞回曲线形状大致相同，形态饱满呈梭形，抗震性能和耗能能力较强且塑性变形能力也较强。

3.2 骨架曲线

通过Origin软件对试件KJ-1、KJ-2、KJ-3形成的滞回曲线数据进行整理，分别取其最大值，然后再表示为荷载与位移的关系曲线，各试件的骨架曲线如图5所示。

图5 骨架曲线

试件KJ-1、KJ-2、KJ-3骨架曲线的纵坐标最大极限荷载和骨架曲线包围面积依次增加，但试件KJ-1、KJ-2、KJ-3的循环次数都相差不大。这表明，在一定的限制范围内，轴压比越大，对于节点核心区混凝土的约束作用就越强，从而对于节点核心区的抗剪承载力、耗能能力以及变形都有提高，从而提高了节点的抗震性能。

3.3 耗能能力

表1为各试件的耗能能力。

表1 各试件的耗能能力 kN·mm

试件编号耗散能应变能 KJ-11170.413409.33 KJ-21698.374105.65 KJ-32008.935237.06

通过有限元分析，试件KJ-1、KJ-2、KJ-3所耗散的能量和吸收的能量依次增加。在梁筋屈服时，轴压比增大可以相应减小节点核心区箍筋的应力，从而使得箍筋在组合体中发挥更大的约束能力，提高节点的抗震性能。

3.4 位移延性

表2为KJ-1、KJ-2、KJ-3试件的位移延性。

表2 各试件的位移延性

试件编号Δy/mmΔu/mm位移延性 KJ-19.3718.912.02 KJ-210.2323.782.32 KJ-37.7923.893.07

通过对表2分析可以发现，轴压比对框架边节点的位移延性有着显著的影响，各个试件的屈服位移、极限位移、位移延性系数随着Δ值的增加均有所增大。轴压比越大时，节点的延性性能越好。

3.5 承载力退化

表3为KJ-1、KJ-2、KJ-3各试件的承载力退化情况。

表3 各试件承载力降低指数

试件编号Δy2Δy3Δy KJ-10.9790.910 KJ-20.9870.935 KJ-30.9490.9460.910

通过有限元分析可知，在梁筋屈服时，轴压比增大可以相应减小节点核心区箍筋的应力。钢筋混凝土框架节点因混凝土受到的约束作用越强，抗剪承载力也就越大。随着Δ的增加，构件的承载力逐渐退化，但当Δ=3时，试件KJ-1和KJ-2已经破坏，试件KJ-3的承载力降低系数尽管比较小，但承载力退化仍然继续。从而可知轴压比越大，构件的承载力退化速率越缓慢。

4 结论

根据有限元分析，对滞回曲线、骨架曲线、耗能能力、位移延性、承载力退化等规律进行归纳和总结，得出如下结论。

(1)轴压比越大，滞回曲线越饱满，并且极限位移、极限荷载和循环次数也都有一定的提高。当形态饱满呈梭形时，抗震性能和耗能能力较强，并且塑性变形能力也较强。

(2)轴压比对框架边节点的位移延性有着显著的影响，各个试件的屈服位移、极限位移、位移延性系数随着轴压比的增加均有所增大。

(3)轴压比越大，对节点核心区混凝土的约束作用就越强，节点核心区的剪切变形就越小，并且耗能能力也有提高，越有利于节点抗震。

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部. GB 50011—2010. 建筑抗震设计规范[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2010.

[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部. GB 50017—2003. 钢结构设计规范[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2003.

[3] 张军伟, 高丹盈, 朱海堂, 等. 轴压比对钢纤维高强混凝土框架节点抗震性能的影响[J]. 东南大学学报: 自然科学版, 2010, 40(S2): 66-71.

[4] 框架节点专题组. 低周反复荷载作用下钢筋混凝土框架梁柱节点核心区抗剪强度的实验研究[J]. 建筑结构学报, 1983, 25(6): 17-21.

[5] 袁贤讯, 易伟建. 钢筋混凝土框架“强柱弱梁”及轴压比限值的概率分析[J]. 重庆建筑大学学报, 2000,22(3): 64-68.

Effect of Axial Compression Ratio on Seismic Behavior of Reinforced Concrete Frame Node

WU Xiao-man1, DONG Jin-kun1, WANG Jing2

（1.School of Civil and Architectural Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China;2.School of Architectural Engineering, Zhejiang College of Construction, Hangzhou 310000, China）

In this paper, the large finite element software ABAQUS and the finite element analysis method are used. and the modeling method of the reinforced concrete frame node is discussed. the axial compression ratio on the seismic performance is mainly studied in this paper, the specimen model is established based on ABAQUS software, and the low reversed cyclic loading is established, its seismic performance of the node is studied by skeleton curves, energy dissipation capacity, hysteretic curves, from various angles.It is concluded that the larger the axial compression ratio, the better the seismic behavior of reinforced concrete frame node.

finite element; modeling method; seismic performance; axial compression ratio

10.15916/j.issn1674-3261.2021.06.013

TU375.4；TU352.11

A

1674-3261(2021)06-0409-04

2020-11-08

辽宁省高校基本科研项目(JFL201715402)

吴小满(1997-)，女，山东济宁人，硕士生。

董锦坤(1969-)，男，辽宁凌海人，教授，博士。

责任编辑：孙 林