鋼管再生混凝土柱鋼梁節點抗震性能非線性有限元分析

張陽陽 (中建四局第六建筑工程有限公司，安徽 合肥 230012)唐榕 (合肥市市政工程管理處，安徽 合肥 230022)朱凱 (中交二公局第六工程有限公司，陜西 西安 710065)

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張陽陽 (中建四局第六建筑工程有限公司，安徽 合肥 230012)唐榕 (合肥市市政工程管理處，安徽 合肥 230022)朱凱 (中交二公局第六工程有限公司，陜西 西安 710065)

為了研究鋼管再生混凝土柱-鋼梁框架節點的抗震性能，基于已進行的試驗，在選取合適的本構關系后，選用大型有限元軟件ABAQUS對試驗中的不同再生骨料取代率下框架節點進行非線性分析；并在已建立的模型的基礎上，改變軸壓比和梁柱線剛度比參數，探究不同試驗參數對節點抗震性能的影響。研究結果表明，將理論計算得到的滯回曲線和實測滯回曲線對比后發現吻合較好，鋼管再生混凝土柱-鋼梁節點具有較好的耗能能力，不同骨料取代率對節點的抗震性能影響不明顯；軸壓比對節點彈性階段無明顯影響，增大軸壓比不利于節點的后期承載力；梁柱線剛度比越大，有利于節點的初始剛度和承載能力的提高；研究成果可為該類節點的工程實際應用提供理論支撐。

鋼管混凝土柱；節點；擬靜力試驗；抗震性能；非線性分析

鋼管混凝土結構良好的抗震性能已廣泛受到設計人員的青睞，矩形鋼管混凝土柱-鋼梁節點組成的框架結構體系已在我國的高層及超高層中逐漸被使用。歷次的大地震災后調查發現[1，2]，大多數的建筑多見節點破壞，因為節點在地震中受到軸力、彎矩、剪力共同作用，受力復雜，極易發生較為嚴重的破壞[3]。而節點是結構中的重要和關鍵部位，故研究節點的抗震性能對于整體結構而言，具有重要的現實意義。

現階段，國內外學者關于鋼管混凝土柱-鋼梁節點的研究成果較為豐富，多見于不同截面形式普通鋼管混凝土柱-鋼梁節點抗震性能試驗的研究。國內學者周天華等[4]、張玉芬等[5]、丁永君等[6]、陳志華等[7]、李威等[8]、劉記雄等[9]、林明森等[10]對不同截面形式的鋼管混凝土柱-不同形式的鋼梁節點進行了一系列試驗研究和理論分析，研究結果表明該類節點具有良好的抗震性能。而關于鋼管再生混凝土柱-鋼梁框架節點抗震性能則較少，蘇益聲等[11]研究了方鋼管再生混凝土柱-帶加強環鋼梁節點的抗震性能，結果表明該類型節點具有較好的抗震性能。除此之外，尚未見到不同再生骨料取代率下鋼管再生混凝土柱-鋼梁節點抗震性能的試驗研究及有限元分析。

因此，基于已完成的試驗[12]，筆者擬采取合適的本構關系，對不同再生骨料取代率下框架節點進行有限元分析，評價有限元分析結果與實測結果的吻合度；并根據以建立的模型，改變軸壓比和梁柱剛度比參數，探究不同參數對框架節點抗震性能的影響，以期為該類型節點的應用和推廣提供理論支持。

1 試驗概況

1.1 試件設計與制作

試驗一共制作了2根鋼管再生混凝土柱-鋼梁框架節點試件模型，按照“強柱弱梁，強節點弱構件”設計制作，其再生骨料取代率分別為50%、100%，試件編號為JD-1、JD-2。柱子選用方鋼管矩形柱，截面尺寸150mm×150mm，壁厚為3.5mm。試件模型示意圖見圖1。試驗軸壓比為0.3，施加在柱頂上的軸力為450kN。方形鋼管內均填充混凝土等級為C40的再生混凝土，實測混凝土的立方體抗壓強度為39.5N/mm2。工字鋼梁截面H100mm×210 mm×5 mm×6mm，鋼梁是由3塊鋼板融透焊接形成。1m3再生混凝土質量配合比為水泥：砂∶水∶骨料=421.3∶523.2∶208.5∶1021.2，當取代率為50%時，天然骨料和再生骨料各取一半，當取代率為100%時，則全部使用再生骨料。

圖1 試件模型示意圖(單位：mm)

圖2 加載示意圖

1.2 加載裝置及加載制度

為了更好的探究框架節點的抗震性能，選擇使用作動器對節點試件進行加載。柱頂端施加恒定的軸力不變直至試驗結束，柱頂端同時與固定在反力墻上的作動器相連，通過作動器施加低周反復荷載。加載方式采用荷載-位移混合加載控制，試件屈服前采用荷載加載，直到試件滯回曲線出現拐點，再換成位移加載。加載位移選擇試件的屈服位移，每級循環3次，而試件屈服前的荷載加載時僅循環1次。直到試件的承載力下降至極限荷載的85%或試件無法繼續加載時方停止加載，加載示意圖見圖2。

2 有限元模型

選擇大型有限元分析軟件ABAQUS，用以分析矩形鋼管再生混凝土柱-工字形鋼梁框架節點在低周反復荷載下的受力性能，為了盡可能使得模擬情況和實際加載情況相同，現將具體建模過程敘述如下。

2.1 單元選取和網格劃分

建模時，均選取實體單元，這樣可以更精確模擬出實際中試件的尺寸、相應位置等條件。核心再生混凝土采用Solid65單元，該單位的優點在于可以很好的考慮混凝土的變形，如徐變或收縮等。鋼板和焊縫選取Solid45單元。劃分網格時，選用映射自定義網格劃分，在加強環周邊需要對網格進行適當加密，以得到較好的精度。

2.2 材料本構關系

1)鋼材的本構關系 鋼材選擇是Q235B，將試件拉伸得到實測數據，見文獻[12]。為了使得模擬結果更為準確，將實測數據用于試件材料的參數，選取三折線表達式。

2)再生混凝土的本構關系 有限元分析時，只有參數設置正確了，才能得到較好的模擬結果。普通混凝土的本構關系已有學者進行了較多研究，而關于再生混凝土本構模型還沒有統一的規定，故需要更為慎重選取再生混凝土的本構模型。鋼管混凝土結構這種特殊的結構形式，使得混凝土被鋼管約束和包裹，故其力學性能更為復雜。其復雜主要表現在核心混凝土塑性會增強，主要體現在峰值應力對應的應變增大以及應力-應變曲線下降段退化較為平緩，引入約束效應系數ξ用于衡量這種變化：

(1)

式中，As、Ac分別為鋼材和混凝土的截面積，m2；α為含鋼率；fy為鋼材屈服強度，Pa；fck為混凝土軸心抗壓強度標準值，Pa。

混凝土受壓本構關系采取文獻[13]用的本構關系，混凝土受拉本構關系采取文獻[11]用的本構關系。

2.3 邊界條件與加載方式

首先對試件加載時邊界條件進行簡化，柱底為鉸接，柱頂部有滑動小車，使得柱在受軸力的同時也可以產生水平移動，梁端有定向支座，可以產生水平移動。柱頂部千斤頂提供的軸力可以折算成均布壓力，因軸力較大，可假設柱頂平面側向剛度無窮大。加載時，先在頂端施加荷載，再在加載段中心線位移施加水平荷載。在有限元ABAQUS中，設置2個荷載步，首先在柱頂端施加均布荷載，同時需根據軸力大小來調整步長，直到加載結束；其次荷載步為水平荷載的施加，采用位移控制。

3 模型驗證

將2根試件模擬計算的曲線和實測的曲線繪制于同一張圖形中，見圖3。水平極限承載力實測值和計算值見表1，實測和計算極限承載力對比見圖4。

圖3 實測和計算滯回曲線對比

從圖3、圖4及表1可知：

圖4 實測和計算極限承載力對比

1)2根試件有限元模擬計算曲線和實測曲線有一定的符合度，模擬結果大致可描述出試件加卸載規律，但也存在一部分的分離。原因主要有以下2點，一是因為有限元模擬是理想情況下的加載曲線，而實際試驗中存在制作和安裝等一系列不可避免的誤差，但模擬是根本未考慮這些誤差。二是因為實際加載過程中存在加載、卸載、再加載、再卸載等循環形成的滯回曲線，而有限元采用的是單調加載時的應力-應變關系，故造成了兩者滯回曲線出現了偏離。

2)2根試件JD-1、JD-2極限承載力實測值和計算值相差不大，基本接近，實測值與計算值比值分別為0.93、0.89，差別較小，離散性較小。

表1 水平極限承載力對比

從滯回曲線和極限承載力來看，建立的有限元模型可很好模擬出鋼管再生混凝土柱-鋼梁框架節點在低周反復荷載下的受力性能，可見筆者建立的模型是正確可行的。從實際工程來看，有限元模擬計算結果可基本滿足精度要求，為拓展分析提供了理論可能。同時，2根試件的極限承載力比較接近，實測滯回曲線形態也大體相同，且2根試件模擬滯回曲線也比較接近，說明不同再生骨料取代率對節點抗震性能影響較小。

4 參數影響分析

實際工程中，存在各種各樣的情況，不可能一次試驗能窮盡所有節點的受力性能。通過建立的有限元模型，分析了不同再生骨料取代率對節點抗震性能的影響，驗證了建立的有限元模型是正確和合理的。因此，可以改變不同的變化參數，運用有限元模型進行模擬，分析不同參數對節點抗震性能的影響，以滿足實際工程中各種不同情況的要求，為實際工程提供依據。

4.1 軸壓比

研究節點的軸壓比取為0.3，在實際工程中，根據建筑物的實際需要，需確定不同的軸壓比。模型采取和試件JD-1相同，僅改變豎向力來實現不同的軸壓比，分析的軸壓比為0.4、0.5，故其對應的軸壓分別為600、750kN。利用有限元軟件模擬分析出不同軸壓比下的骨架曲線，見圖5；不同軸壓比下極限承載力對比如圖6所示。

圖5 不同軸壓比下骨架曲線

圖6 不同軸壓比下極限承載力對比

從圖5、圖6可知，不同軸壓比對初始彈性階段的剛度影響極小，其曲線基本重合。這是由于彈性階段，柱二階效應還不突出，說明軸壓比對節點的剛度不產生明顯影響。隨著加載的進行，節點的剛度逐漸變小，說明存在剛度退化，越到加載后期，剛度退化越快。隨著軸壓比的增大，節點極限承載力逐漸降低，且后期退化階段的剛度退化速率也加快。這是由于節點軸壓比越大，鋼管柱的二階效應越來越突出，節點穩定性也就越差，故軸壓比越大對節點后期承載能力越不利。

4.2 梁柱線剛度比

設計試件的梁柱線剛度比為1.23，梁柱線剛度比可以反映出梁對柱的約束程度，其值越大，則梁對柱約束作用越大。模型采取和試件JD-1相同，僅改變梁跨度來實現不同的梁柱線剛度比，分析的剛度比分別為1.35和1.50。利用有限元軟件模擬分析出不同梁柱線剛度比下的骨架曲線，見圖7；不同梁柱線剛度比下極限承載力對比圖見圖8。

從圖7、圖8可知，梁柱線剛度比越大，試件的初始剛度也越大，說明梁柱線剛度比對試件初始剛度有顯著影響。梁柱線剛度比越大，節點試件所達到的極限荷載也越大，這是由于梁柱線剛度比越大，梁剛度越大造成節點的抗彎承載力也越大，故其承載力也越大。梁柱線剛度比對節點骨架曲線退化階段影響不大，其退化曲線大致平行。這是因為在加載過程中，梁端塑性鉸不斷形成和發展，其梁剛度減小，故梁柱線剛度比對其影響不大。

圖7 不同梁柱線剛度比下骨架曲線

圖8 不同梁柱線剛度比下極限承載力對比

5 結論

1)不同再生骨料取代率對鋼管再生混凝土柱-鋼梁框架節點抗震性能影響較小，有限元軟件模擬計算出的滯回曲線和實測滯回曲線有一定的吻合度，說明建立的有限元模型是可行的。

2)軸壓比對節點彈性階段無明顯影響，但對節點的后期受力影響較大，增大軸壓比不利于節點的后期承載力。

3)梁柱線剛度比越大，有利于節點的初始剛度和承載能力的提高，但對節點后期退化階段的影響不明顯。

4)鋼管再生混凝土柱-鋼梁框架節點的抗震性能優越，可在抗震設防區及超高層建筑中推廣使用。

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[編輯] 計飛翔

2016-09-16

住房和城鄉建設部科技計劃項目(2014-K2-021)。

張陽陽(1989-)，男，工程師，現主要從事結構工程抗震方面的研究工作；通信作者：朱凱，1879025407@qq.com。

TU398.9

A

1673-1409(2016)34-0010-05

[引著格式]張陽陽，唐榕，朱凱.鋼管再生混凝土柱-鋼梁節點抗震性能非線性有限元分析[J].長江大學學報(自科版)，2016,13(34)：10～14，45.