方钢管煤矸石混凝土梁柱节点在双向循环荷载作用下有限元分析

彭军PENG Jun；王海任WANG Hai-ren；李翔宇LI Xiang-yu

（①榆林学院建筑工程学院，榆林 719000；②榆林市榆阳区自然资源调查与规划中心，榆林 719000）

0 引言

上世纪70年代起，我国开展了对煤矸石的综合利用工作，煤矸石综合利用产品可替代一次性建材资源，同时减少煤炭的开采和使用量，达到具有节约资源能源和降低碳排放的综合效应，因此在建筑建材领域的应用占比越来越高。钢管混凝土具有强度高，塑性、韧性好，承载能力强性能，在钢管中填充煤矸石混凝土替代普通混凝土，从含钢率、轴压比、截面尺寸等不同参数开展方钢管煤矸石混凝土梁柱节点受双向弯矩循环荷载作用下的性能研究的抗震性能分析，同时更进一步考虑焊缝强度的影响，更能反映方钢管煤矸石混凝土结构在遇到地震荷载时梁柱节点的受力能力变化，在方钢管煤矸石混凝土的抗震应用具有重要意义。

1 材料参数与构件尺寸

1.1 钢材的本构关系模型

依据钢材在往复循环荷载作用下的特点，本文选取双线性模型建立方钢管煤矸石混凝土的钢材骨架线，即弹性段和强化段，来模拟钢材的弹塑性阶段。在双线性模型中，弹性段采用初始弹性模量E，强化段弹性模量为0.01E。本文对钢材、焊缝采用多线性随动强化本构模型，以考虑在循环荷载作用下钢材的Bauschinger效应。

1.2 核心煤矸石混凝土的本构关系

钢管对核心煤矸石混凝土有约束作用，属于三向受压状态。由于关于钢管混凝土的滞问性能的研究较少，同时，对其核心应力应变滞回本构曲线的研究仍然处于空白，本文采用钢管轻集料混凝土中核心轻集料混凝土的本构关系模型对钢管煤矸石混凝土柱煤矸石混凝土梁进行研究。同时，还要考虑煤矸石混凝土在由荷载方向改变时形成的刚度退化以及裂面咬合效应等因素，本文则通过定义ABAQUS中的混凝土塑性损伤（Concrete Plastic Damage）模型来模拟。

《轻骨料混凝土结构技术规程》中规定了轻集料混凝土受压时的应力应变本构关系曲线按以下公式取用：

当ε0＜ε≤εcu时，σc=fc

1.3 构件尺寸

试件钢管采用Q235钢材，fy=235N/mm2，Es=2.1×105，泊松比取0.3。钢管内填充C30煤矸石混凝土，其中煤矸石掺量为15%，水胶比为0.3，砂率为45%。考虑到地震作用时梁和柱反弯点位置分别位于柱中点和梁跨中点，进行有限元分析的试件中梁取半跨，悬臂梁端至柱中心取1.15m，上下柱各取层高的一半，柱高取3.3m，具体试件尺寸参数见表1和图1。

表1 试件尺寸参数

为了研究焊缝屈服强度受双向弯矩在循环荷载作用下对节点性能的影响，设计了GCS系列试件，梁柱连接焊缝取不同的值，其余参数保持不变，共有3个试件，各试件的焊缝屈服强度见表2。

表2 GCS系列试件对接焊缝屈服强度

2 有限元模型的建立

2.1 单元类型选取

本文采用S4R壳单元模拟钢管和钢梁，因为与长度相比，结构的宽度相对较小，采用这种结构模型可以极大降低计算繁杂度，提高模拟速度，可以较好地模拟出材料的塑性性能与材料受力后的应力等多种特征。采用C3D8R单元模拟方钢管柱内的煤矸石混凝土，此单元为8个节点的线性实体，缩减积分，同时考虑沙漏控制，而且可以输入混凝土压缩与拉伸损伤的功能选项，可以更好地反映钢管混凝土在受复杂荷载作用时的应力-应变损伤情况。盖板尺寸为400×400×25，相对构件来说刚度要大很多，采用8个节点六面体线性缩减积分单元模拟，其弹性模量取为1×1012MPa，泊松比取为0.0001。

2.2 界面模型设定

模拟钢管与煤矸石核心混凝土的界面模型处理至关重要，钢管与煤矸石法线方向采用硬接触，可以通过界面法向的接触单元传递压力，切线方向采用粘结滑移，即库仑摩擦模型。除此之外，还有钢梁和加载板、盖板与混凝土、钢管与盖板之间的接触。

2.3 边界条件设定及加载方式

本文中边界条件：由于钢管柱长径比为5，所以假设不考虑失稳效应。钢管柱顶端、底端均按支座铰接模拟，钢梁远离节点区的两侧、两端中心点上约束其竖向位移来模拟两端与刚性支杆的铰接，加载方案如图1所示，先在柱顶施加轴力当施加至预定轴力稳定后在梁端施加对称集中力。

首先，根据轴压比的大小，在柱顶端施加轴向荷载加至轴力稳定。第二，在保证轴压比不变的条件下，在梁端施加低周往复荷载。梁端施加的竖向位移按△y/2、△y、2△y、3△y、4△y…的位移控制加载方式进行，每级位移循环一次，直至试件破坏。

2.4 破坏准则的确定

为了模拟煤矸石的延性破坏，在有限元的材料模型中采用下降的应力-应变曲线。在外荷载作用下，若构件的某一截面的单元应力同时达到下降段，截面形成塑性铰，这时构件整体刚度矩阵为负，程序在求解有限元方程时就会出错，表明构件破坏，求解过程结束，具体表现为输出结果中荷载-位移曲线出现下降段。

3 有限元结果分析

3.1 受力性能分析

梁柱节点对接焊缝取不同的设计强度，用以研究在双向弯矩作用下焊缝屈服强度对节点性能的影响。从单调荷载下的变形曲线如图2可以看出，GCS系列试件的荷载-位移曲线弹性阶段基本重合，各个试件的变形能力有所不同，焊缝屈服强度比较高的试件其延性比较好，但当焊缝屈服强度高到一定值后，焊缝屈服强度提高和试件的延性增加不明显。

3.2 骨架曲线对比分析

骨架曲线是将P－△滞回曲线中加载级的第一循环峰值点所连成的，即滞回曲线的包络线。它能够更直观地反映结构的强度、变形等性能。图3为GSC试件在循环荷载作用下的骨架曲线和割线刚度退化曲线。从图可以看出，骨架曲线没有出现明显的下降段；从结构的弹性刚度方面看，GSC1试件的弹性刚度为4.554kN/mm，随着焊缝屈服强度的增大，节点的弹性刚度逐渐减小，GSC3试件的弹性刚度为4.31kN/mm；GSC1试件的弹性刚度与GSC3相比增大幅度超过了106%。另外从图中还可以看出，BASE试件和GSC3试件割线刚度退化速度较为一致，而GSC1试件刚度退化速度较其它两个试件快。

3.3 焊缝强度的影响

从滞回曲线、刚度退化等结果可知对接焊缝的强度对连接的整体强度、刚度和延性的影响不很显著，为了能更详细地分析焊缝屈服强度的变化对焊缝受力性能的影响，文中主要分析沿梁翼缘长度方向焊缝正应力、剪应力、Y方向应力和Z方向应力的分布情况，如图4为STRW系列试件梁翼缘对接焊缝的应力分布图，从图上清楚地可以看到，对接焊缝的弯曲正应力在靠近梁翼缘边缘处随焊缝强度的提高弯曲正应力增大，靠近梁中间焊缝强度的提高而弯曲正应力变化不大；Y方向应力分布则是越靠近梁中间应力变化越明显，随焊缝强度的提高Y方向的应力在不断地减小，而在靠近梁翼缘处Y方向的应力值基本不变；Z方向应力的变化也同样是在中间变化显著，只是随焊缝强度的提高而变大，在两端曲线基本重合。提高焊缝屈服强度虽然可以改善焊缝的三项应力状态及降低焊缝的剪应力比例，但幅度很有限。

4 结论

①本文采用的有限元梁柱节点模型可较好地应用于节点设计，满足“强柱弱梁”设计要求。②本文所研究的方钢管煤矸石混凝土梁柱节点能够完成竖向位移的循环，破坏前强度和刚度也没有明显降低，滞回性能稳定，具有良好的耗能性和延性。③对与不同对接焊缝屈服强度进行有限元分析，对接焊缝的强度对连接的整体强度、刚度和延性的影响不很显著，构件轴压比越大，焊缝强度强度高的，结构延性好，刚度退化慢，承载力高。