型鋼邊緣構(gòu)件-鋼連梁焊接型混合連肢墻節(jié)點滯回性能有限元分析

徐 明,蘇明周,王 麗,李旭東

(西安建筑科技大學土木工程學院,陜西西安 710055)

型鋼邊緣構(gòu)件-鋼連梁焊接型混合連肢墻節(jié)點滯回性能有限元分析

徐 明,蘇明周,王 麗,李旭東

(西安建筑科技大學土木工程學院,陜西西安 710055)

通過利用ABAQUS有限元軟件對型鋼邊緣構(gòu)件-鋼連梁焊接型混合連肢墻(HCW)節(jié)點滯回性能進行有限元分析,研究混合連肢墻在低周循環(huán)荷載作用下的抗震性能,并將有限元計算結(jié)果與試驗結(jié)果進行了對比,吻合情況較好。同時,試驗研究與有限元分析結(jié)果均表明:節(jié)點滯回曲線飽滿,且延性系數(shù)及極限承載力較高,表明節(jié)點具有良好的抗震性能。

混合連肢墻;有限元分析;滯回曲線;骨架曲線;延性系數(shù)

1 概 述

在現(xiàn)代高層建筑結(jié)構(gòu)中,混合連肢墻(HCW)因采用鋼連梁,比傳統(tǒng)的連肢墻采用混凝土連梁能夠明顯提高體系的承載力、剛度及耗能性等優(yōu)點,越來越受到各國研究人員的青睞[1-2]。而新型混合連肢墻體系則是把鋼連梁與埋入剪力墻中的型鋼邊緣構(gòu)件進行焊接形成新型的節(jié)點連接方式,即型鋼邊緣構(gòu)件-鋼連梁焊接型節(jié)點[3-4]。這種新型的連接方式有效地降低了節(jié)點區(qū)剪力墻的約束,而且型鋼邊緣構(gòu)件還可以作為結(jié)構(gòu)施工時的安裝構(gòu)件,便于剪力墻的施工。本文以混合連肢墻節(jié)點體系抗震性能試驗研究為基礎(chǔ),采用ABAQUS程序建立了HCW節(jié)點的三維實體有限元模型,模擬節(jié)點在低周循環(huán)荷載作用下的受力性能及破壞過程,通過試驗結(jié)果驗證了有限元模型的適用性與正確性,以供進一步作參數(shù)分析。

2 有限元模型的建立

2.1 研究對象

節(jié)點試件設(shè)計了剪切屈服型(SCF)和彎曲屈服型(FCF)兩種形式,其中剪切型包含SCF1、SCF2和SCF3三種形式,其中,SCF1與SCF2的截面尺寸都相同,主要考查面承載板以及不同剪跨比(梁凈跨的一半與梁高之比)對節(jié)點抗震性能的影響。鋼連梁翼緣和腹板與型鋼邊緣構(gòu)件翼緣之間分別采用坡口全熔透對接焊縫和角焊縫連接,各型鋼構(gòu)件節(jié)點的連接見圖1所示。剪力墻高2 700mm,寬1 700mm,墻厚250 mm,混凝土采用C35,型鋼采用Q235。鋼梁伸入剪力墻后焊接在型鋼翼緣上,在鋼梁與鋼柱交接處焊水平鋼板加筋肋。不同的是,剪切型與彎曲型試件的鋼連梁翼緣寬厚比、腹板高厚比、加筋肋間距及連梁伸出剪力墻長度。試件中各構(gòu)件的截面尺寸和配筋見表1。

2.2 單元類型

型鋼和混凝土共同工作時,兩者之間存在良好的粘結(jié)作用,認為不考慮兩者之間的粘結(jié)滑移效應(yīng)[5]。本文在建模時采用分離式模型,把型鋼、混凝土和鋼筋分別作為不同的單元來處理,型鋼和混凝土采用八結(jié)點線性六面體減縮單元(C3D8R),鋼筋采用兩結(jié)點線性三維桁架單元(T3D2)。

表1 構(gòu)件截面尺寸

圖1 型鋼構(gòu)件示意圖

2.3 料本構(gòu)模型

2.3.1 鋼材的本構(gòu)關(guān)系

型鋼采用雙折線隨動強化模型(MKIN),型鋼均為Q235鋼,單軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用考慮強化段的雙折線模型,彈性模量為E=205 000 MPa,切線模量Et=0.02E。屈服準則為Mises準則;不同厚度鋼材的屈服強度和極限強度如表2所示?？v筋和橫向箍筋采用理想彈塑性模型,單軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用理想彈塑性模型。

2.3.2 混凝土的本構(gòu)關(guān)系

ABAQUS程序主要提供了兩種混凝土本構(gòu)關(guān)系[6]:彌散裂縫型和塑性損傷型,本文采用塑性損傷模型來模擬混凝土本構(gòu)關(guān)系。該模型為連續(xù)的、基于塑性的混凝土模型,通過引入受拉和受壓損傷變量對混凝土的卸載剛度進行模擬。并假定混凝土材料主要因拉伸開裂和壓縮破碎而破壞。該模型中采用的本構(gòu)關(guān)系如下,混凝土力學性能指標如表3所示。

表2 鋼材材料性質(zhì)

表3 混凝土力學性能指標

(1)單向受壓

混凝土單軸受壓狀態(tài)采用Saenz應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線[7],具體表達式為:

其中:σ為相應(yīng)于應(yīng)變ε的應(yīng)力;ε0為相應(yīng)于峰值應(yīng)力 σ0的應(yīng)變,一般近似地取0.002。E為混凝土彈性模量,a、b、c和d為常數(shù)。

(2)單向受拉

混凝土單軸受拉的應(yīng)力 -應(yīng)變曲線按混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[8]提供的公式,具體表達式為:

2.4 模型的建立

ABAQUS建立模型的順序為:建立部件(包括型鋼柱、鋼連梁、剪力墻、鋼筋網(wǎng)和剛性墊塊)、定義各部件屬性、組裝成整體、設(shè)置分析步、定義各部件間的相互關(guān)系、施加邊界條件及荷載、劃分單元網(wǎng)格、提交作業(yè)程序。其中,網(wǎng)格劃分的大小和單元類型的選取有一定的聯(lián)系。為了滿足計算的要求,同時不至于花費大量計算時間,反復(fù)試算后選取單元網(wǎng)格的尺寸為40 mm。試件有限元模型及網(wǎng)格劃分如圖2所示。

為了盡可能模擬試驗的邊界條件及加載方式,防止加載時混凝土墻體出現(xiàn)局部被壓碎,在墻體的頂部和底部均設(shè)置剛性墊塊。將底部墊塊的六個自由度全部約束來模擬固結(jié)狀態(tài),僅限制頂部墊塊x方向的線位移。加載時,分三個分析步。第一步為程序默認的初始步,第二步在剪力墻頂部墊塊施加均布荷載,當達到預(yù)定的軸壓系數(shù)0.1時保持不變,第三步在參考點RP-1的U2位置上施加豎向循環(huán)荷載,采用位移控制。具體模型見圖1(d)所示。

圖2 有限元模型

3 有限元計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比分析

3.1 荷載-位移曲線對比

滯回曲線是試件在低周反復(fù)荷載作用下力和位移之間的關(guān)系曲線,是結(jié)構(gòu)抗震性能的綜合體現(xiàn)。圖3為四個試件節(jié)點在循環(huán)荷載作用下試驗與有限元的荷載-位移(P-Δ)曲線,其中P、Δ為梁端荷載和位移,test代表試驗值,FEM代表有限元值。

通過圖3的對比可知,數(shù)值模擬所得的滯回曲線與試驗結(jié)果吻合的較好,這說明ABAQUS有限元軟件能夠模擬HCW的滯回曲線。而且通過比較,可以得出數(shù)值模擬與試驗結(jié)果相一致性的規(guī)律。

在豎向荷載較小的情況下,兩者均體現(xiàn)出了HCW初期的彈性階段,此階段時荷載與位移呈線性關(guān)系,卸載后恢復(fù)到原來形態(tài)。隨著荷載的增大,滯回曲線所包圍的面積開始變大,表明試件已進入彈塑性階段。整個加載過程中,HCW的滯回曲線均相當飽滿,剛度退化不明顯,說明HCW具有良好的抗震性能。

3.2 骨架曲線對比

骨架曲線是指荷載-位移曲線中每一次循環(huán)中峰值點所連成曲線。圖4為ABAQUS有限元分析所得荷載-位移骨架曲線與試驗結(jié)果對比的情況。

圖3 有限元與試驗滯回曲線對比

從圖4中可以看出,有限元計算得到的骨架曲線與試驗骨架曲線吻合較好,只是有限元的結(jié)果沒有得到骨架曲線的下降段,可能的原因是鋼材本構(gòu)采用的是雙線性隨動強化模型,未考慮下降段的緣故。通過對比剪切型與彎曲型的骨架曲線可以看出,剪切型與彎曲型試件的滯回曲線與骨架曲線基本相同,極限承載力也相差不大,而剪切型與彎曲型試件的主要區(qū)別在于鋼梁翼緣的厚度不同,說明鋼梁的耗能性能主要依靠的是腹板剪切屈服。

圖4 有限元與試驗骨架曲線對比

試件SCF1和SCF2主要用來考察面承載板對節(jié)點抗震性能的影響,SCF1和SCF2試件的延性系數(shù)對比見表4。通過延性系數(shù)的對比可知,試件SCF1的延性要比試件SCF2的稍好些,說明面承載板能對節(jié)點區(qū)混凝土起一定的約束作用,對提高節(jié)點延性有一定的作用。各試件的極限承載力對比見表5,試件SCF3的極限承載力要高于三個試件20%左右,但極限位移要低30%左右,SCF3(剪跨比小)的滯回曲線也要比SCF1、SCF2(剪跨比大)都要飽滿。

表4 延性系數(shù)對比

有限元分析得到的極限荷載與試驗結(jié)果對比如表5。

4 結(jié) 論

通過對混合連肢墻節(jié)點滯回性能有限元分析,可以發(fā)現(xiàn),有限元分析結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好,并得到以下幾點結(jié)論:

(1)面承載板能對新型混合連肢墻體系中型鋼邊緣構(gòu)件-鋼連梁焊接型節(jié)點起一定約束作用,能提高節(jié)點的延性。

表5 極限荷載對比

(2)低剪跨比能提高整個構(gòu)件的極限承載力,但其極限位移也相應(yīng)的減小。

(3)剪切型與彎曲型試件的主要區(qū)別在于鋼梁翼緣的厚度不同,而兩者的滯回曲線與骨架曲線基本相同,說明鋼梁主要依靠腹板剪切屈服耗能,但剪切型的滯回曲線要比彎曲型的飽滿。

[1]Wan-Shin Park,Hyun-Do Yun.Seismic behavior of coupling beams in a hybrid coupled shear walls[J].Journal of Constructional Steel Research,2005,61:1492-1524.

[2]Mohamed Hassan,Sherif EI-Tawil.Inelastic dynamic behavior of hybrid coupled walls[J].Journal of Structural Engineering,2004,130(2):285-296.

[3]Kent A Harries,Denis Mitchell,William D Cook,et al.Seismic response of steel beams coupling concrete walls[J].Journal of Structural Engineering,1993,119(12):3611-3629.

[4]郭峰.含型鋼邊緣構(gòu)件的混合連肢墻體系鋼梁與剪力墻連接的滯回性能[D].西安:西安建筑科技大學,2007:34-39.

[5]王宏彥,趙鴻鐵,薛建陽,等.型鋼混凝土偏壓柱粘結(jié)滑移性能的試驗研究[J].西安建筑科技大學學報,2003,35(3):217-220.

[6]王金昌,陳頁開.ABAQUS在土木工程中的應(yīng)用[M].杭州:浙江大學出版社,2006:80-95.

[7]梁興文,葉艷霞.混凝土結(jié)構(gòu)非線性分析[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007:15-26.

[8]中國建筑科學研究院.GB50010-2002.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002:206-208.

FEM Analyses on Hysteretic Behavior of Steel Coupling Beam-column Connections
with Steel Boundary Elements Welded in Hybrid Coupled Shear Wall Systems

XU Ming,SU Ming-zhou,WANG Li,LI Xu-dong
(College of Civil Engineering,Xi'an University of Architecture&Technology,Xi'an,Shaanxi710055,China)

The finite element analyseson hysteretic behavior of steel coupling beam-column connectionswith steel boundary elementswelded in hybrid coupled shearwall system were performed by using the FEM software ABAQUS for numerical simulation,so as to obtain the seismic performance of hybrid coupled shear wall system under low cyclic loading.The results of the finite element analyses agree quite well with experimental results.Meanwhile,the finite element analysis results and experimental results all indicate that the hysteretic curve of connections in hybrid coupledwall is full,and the ductility factor and ultimate bearing capacity are high,which shows that this kind of connection has high seismic performance,and is suitable for using in the high-rise buildings in high-intensity earthquake areas.

hybrid coupled shear wall;finite element analysis;hysteretic curve;skeleton curve;ductility factor

TU391

A

1672—1144(2012)01—0048—05

2011-10-26

2011-12-19

國家自然科學基金(50878182);陜西省自然科學基金(SJ08E209)

徐 明(1986—),男(漢族),江蘇蘇州人,碩士研究生,主要從事鋼結(jié)構(gòu)及混合結(jié)構(gòu)研究。

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