窯尾框架節點抗震性能分析

王慶江

窯尾框架節點抗震性能分析

王慶江

為了給窯尾框架結構節點的設計與分析提供參考，針對實際窯尾鋼管混凝土框架梁柱節點在單調加載和低周往復加載下的受力、變形性能進行了研究。采用數值分析方法分析了窯尾結構典型梁柱節點的抗震性能，對節點單調加載下的承載力、低周往復荷載作用下的延性以及耗能能力等指標進行了比較。結果表明，加強環式鋼管混凝土節點表現出典型“強柱弱梁”型節點的特征，節點具有良好的滯回耗能能力。

窯尾框架；節點；鋼管混凝土；抗震性能；粘結滑移

Abstract:To provide reference for design and analysis of the preheater frame structure joints,aimed at the actual preheater concrete-filled steel tube beam-column joints,the force and deformation prop?erties under the monotonic load and cyclic reciprocating load was studied.With the numerical simula?tion method,the seismic performances of the beam-column joints of the structure was studied,and the study mainly focuses on the bearing capacity under monotonic loading,the ductility under low cyclic loading and the energy dissipation ability of the joints.Through the analyses,it could be concluded that the enforced loop joint of concrete filled steel-tubular column had typical characteristic of joint of"strong column and weak beam",and the joint had good ability of hysteretic energy.

Key words:preheater tower;joints;concrete filled steel tube;seismic performance;bond slip

隨著高層建筑的不斷發展，鋼管混凝土梁柱節點形式不斷豐富。常用的節點形式有：加強環式剛接節點、錨定板式剛接節點、十字板式剛接節點。其中加強環式剛接節點是目前研究最成熟、應用最廣泛的一種節點類型。目前國內外對加強環式節點受力性能和抗震性能進行了大量研究[1-4]，研究及工程實踐表明，加強環式剛接節點具有傳力路徑明確、節點剛度大、承載力高等優點，容易滿足抗震設計中“強柱弱梁、節點更強”的要求。本文針對實際窯尾鋼管混凝土框架梁柱節點，采用數值模擬方法，對其進行了節點極限承載力和抗震性能分析。

1 節點有限元模型的建立

節點選擇按照以下兩個原則進行：（1）相同柱截面的情況下選擇梁截面最大和最小的兩組節點；（2）優先選取設有支撐桿件的節點。所選取的5組節點板件尺寸見表1。

節點模型中鋼管壁、鋼梁采用薄殼單元模擬，混凝土采用體單元模擬，施加約束、荷載的邊界單元采用剛體材料，以避免分析中出現應力集中和不真實的變形。節點模型選擇梁、柱反彎點位置作為節點邊界，即柱長度取為層高的1/2，梁長度取為主梁跨度的1/2。鋼材選用服從VON-MISES屈服準則的雙線性隨動強化本構模型，材料的強化模量取為彈性模量的0.01倍，失效應變取為0.6。混凝土選用LS-DYNA中的16號材料模型MAT_PSEU?DO_TENSOR模擬。節點有限元模型如圖1所示。

2 粘結滑移的模擬與驗證

鋼管與核心混凝土之間的協同互補作用是鋼管混凝土具有一系列突出優點的根本原因，而鋼管混凝土中鋼管和混凝土之間的粘結強度直接影響到兩種材料能否共同協同工作[5]，進而影響鋼管混凝土結構和構件的受力性能，如破壞形態、承載能力以及裂縫和變形等。

圖1 節點有限元模型

2.1 有限元模型中粘結滑移的模擬

由于鋼管混凝土界面粘結滑移剛度沿著鋼管長度方向上是變化的，而鋼管混凝土連接界面上的內部滑移比較難測定，因此，計算中往往以構件平均粘結應力和構件端部（加載端或自由端）滑移的關系作為粘結滑移本構關系[6]。

本文對鋼管與核心混凝土之間粘結滑移的模擬是通過在LS-DYNA中定義固連失效接觸模型（*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SUR?

FACE_TIEBREAK）實現的。該接觸模型是基于抗拉和抗剪強度建立固連失效準則，如圖2所示。初始時刻鋼管與核心混凝土之間處于固連狀態，當接觸應力σn和剪應力σs滿足式（1）時固連作用失效，鋼管和核心混凝土之間可以分離和滑移。

式中：

σn——法向接觸應力

表1 節點參數

σs——切向接觸應力

NFLS——法向失效拉應力

SFLS——切向失效應力

2.2 試驗驗證

為了驗證本文所選用的本構模型和粘結滑移模型的適用性和有效性，采用上述材料模型和粘結滑移模型對內布拉斯加林肯大學Ahmed Elremaily和Atorod Azizinamini所做的鋼管混凝土柱低周往復試驗[7]進行了模擬，并將模擬結果與試驗結果進行了對比。

圖3為試件變形圖與有限元模擬的對比，可以看出，所選材料模型和粘結滑移模型可以很好地模擬試件變形，尤其是試驗中試件失效時中部由于剛性圓環的存在導致鋼管混凝土柱向外突出的現象得到了很好的反應。

圖4為往復荷載作用下柱端水平剪力與水平位移滯回曲線的比較，從圖中可以看出有限元模型水平剪力峰值與試驗結果一致，在Δy=14mm時有屈服剪力Py=708kN；加載后期節點域剛度退化現象與試驗結果相近。試驗實測曲線與有限元模擬的主要區別在于有限元模擬結果比實測曲線更加飽滿，造成這一結果的可能原因是：（1）有限元模擬時所采用的材料本構模型在包辛格效應的反應上與實際材料存在差異；（2）沒有考慮反復加載下的損傷累積效應。

綜上所述，本文所選用的材料本構模型和粘結滑移模型以及模擬方法可以有效地模擬鋼管混凝土結構在往復荷載作用下的各項力學性能和變形性能，可以用于鋼管混凝土柱鋼梁節點的抗震性能研究。

圖2 失效準則

圖3 試件變形比較

a 試驗滯回曲線

圖4 試件滯回曲線比較

3 節點單調加載有限元分析

本文選擇在梁端施加豎向荷載，并保持柱頂軸向力的加載方式[8]，分析時在柱底端施加三向線位移約束、柱頂端限制水平線位移和出平面線位移，在梁端施加出平面線位移約束。

作為組合結構節點，鋼管混凝土梁柱節點受力特點既不同于鋼結構也不同于鋼筋混凝土結構，針對這種節點的屈服荷載、位移和破壞位移的確定尚無統一的準則，本文中采用了“通用屈服彎矩法”（G.Y.M.M）來確定節點的屈服點和破壞點。通用屈服彎矩法原理如圖5所示，對于圖中這類無明顯屈服點（拐點）的荷載位移曲線，過坐標原點作P-Δ曲線的切線與曲線最高荷載點Pmax點的水平線相交于B點，過B點作垂線并相交于P-Δ曲線于A點，作割線OA的延長線交水平切線DB于C點，過C點，由C點作垂線交P-Δ曲線于E點，則E點即為屈服點，相應的橫、縱坐標即為屈服荷載Py、屈服位移對應于破壞荷載Pu的位移為極限位移，而試件的破壞荷載Pu定義為：

式中：

Pmax——加載過程中的荷載最大值

圖5 通用屈服彎矩法原理

3.1 單調加載的荷載與位移（P-Δ）曲線

對窯尾框架節點進行單調加載的三維非線性有限元模擬分析，以考察其內力的分布情況和破壞機理。節點梁端剪力與豎向位移的P-Δ曲線如圖6所示（以JD-1為例）。

圖6 單調加載荷載位移曲線

根據單調加載的荷載位移曲線確定的Py、Δy、Pmax、Δu如表2所示，表中柱截面剛度（EI）c按《鋼管混凝土技術規程》[11]取為:

式中：Es、Ec——柱截面鋼管和混凝土的彈性模量Is、Ic——柱截面鋼管部分和混凝土部分的慣性矩通過分析圖6、表2中數據可以得到以下結論：

（1）單調加載下的荷載位移曲線均可以分為上升、水平和下降三個階段，反映出節點在加載過程中經歷了彈性階段、屈服強化階段和破壞階段。荷載位移曲線光滑，沒有明顯的拐點。

（2）節點屈服承載力、極限承載力隨著梁柱截面尺寸的不同有很大的差異，JD-2號節點屈服荷載和極限承載力均為最大，其值約是JD-4號節點的2.5倍。與梁截面尺寸相比，柱截面尺寸對節點性能的影響要小得多，表現在相同梁截面尺寸相同而柱截面尺寸不同的JD-3與JD-4具有相當的屈服荷載、位移以及破壞位移，而柱截面相同梁截面不同的JD-2與JD-5在屈服荷載、位移及極限荷載上差別很大。

表2 單點加載荷載位移曲線特征值

（3）節點屈服承載力、極限承載力與鋼梁截面積成正比，鋼梁截面積越大，節點屈服承載力和極限承載力越高。

3.2 節點破壞機理分析

單調加載過程中，隨著荷載增大，靠近節點的梁端翼緣截面先進入塑性，隨著荷載的繼續增大，塑性區域在梁的上下翼緣逐步發展，隨后在與梁連接的上下加強環板的部分區域屈服，但是塑性的發展區域有限；塑性在梁翼緣完全發展后，塑性在梁端腹板區域繼續發展，直到整個梁端截面均發展為塑性。

造成以上現象的原因為：節點的柱剛度遠大于鋼梁剛度，雖然在節點域設有加強環，但梁是斷開的，而柱是貫通的，所以在荷載作用下梁端截面達到屈服，整個過程中鋼管混凝土柱及節點域仍處在彈性階段，塑性區域主要在梁端發展，直到形成塑性絞或局部屈曲，節點的最終破壞均為梁端破壞。

4 往復荷載作用下節點滯回性能有限元分析

加載制度：首先向節點模型施加重力加速度，同時在柱頂施加大小為μP0的軸向壓力，荷載持續一段時間后再在梁端施加往復荷載，荷載位移幅值如圖7所示。在往復加載時各節點采用了相同的位移幅值和循環次數。

4.1 往復荷載作用下的荷載與位移（P-Δ）曲線

滯回曲線能夠充分反應節點強度、剛度、延性和耗能能力等方面的力學特征，是分析節點抗震性能的重要依據。滯回環飽滿程度及所圍面積表征構件耗能能力。往復荷載作用下各節點的梁端荷載-位移滯回曲線如圖8所示（以JD-1為例）。

通過分析各節點荷載位移曲線，可以得到以下結論：

圖7 往復加載制度

圖8 往復荷載作用下節點荷載位移曲線

（1）在加載初期，節點處于完全彈性狀態，滯回曲線直線上升，卸載時沒有殘余變形，第一個加載循環形成的滯回環不明顯，隨著循環荷載幅值大于節點屈服荷載后，節點滯回曲線飽滿呈梭形，說明所研究的加強環式鋼管混凝土節點具有良好的滯回耗能能力。

（2）節點剛度退化趨勢與單調加載時荷載位移曲線強化階段的長度有關系，節點JD-1強化階段最長，在往復荷載下其剛度退化最小。

4.2 節點抗震指標分析

滯回曲線的包絡線稱為骨架曲線，是每次循環加載達到的峰值的軌跡，由往復荷載作用下的節點滯回曲線得到節點滯回曲線的骨架曲線，如圖9所示（以JD-1為例），各節點的骨架曲線均呈倒S形，表明節點在低周反復荷載作用下都經歷了較為典型的彈性、塑性和極限破壞三個受力階段。

圖9 節點骨架曲線

4.3 延性系數

延性系數是衡量節點在屈服之后、破壞之前的塑性變形能力的指標，是評價節點抗震性能的重要參數。本文采用位移延性系數來評價節點的抗震性能，其表達式見式（4）。

式中：

Δy——節點屈服位移

Δu——節點極限位移

各節點的延性系數如表3所示。從表中可以看出：各節點的延性系數均＞3.0，說明各節點延性良好。

4.4 節點耗能指標

在地震作用下，節點不僅需要有足夠的承載力和延性，還要具備相當耗能能力，才能保證節點在往復內力作用下不發生破壞。節點在往復荷載作用下的滯回曲線的飽滿程度，可以直接反應節點的耗能能力，具體計算時采用滯回曲線所包圍的圖形面積來度量。常用的衡量節點耗能能力的指標有能量耗散系數E和等效粘滯阻尼系數he。

通過分析表4中數據可知，各節點等效粘滯系數均＞0.4，節點的耗能能力與節點的極限承載力并無直接關系，極限承載力較低的JD-3表現出了比承載力更高的JD-5更強的耗能能力。

5 結論

（1）單調加載下的強柱弱梁型框架梁柱節點的承載力主要取決于框架梁的高度、截面面積、翼緣寬度和承載力。

（2）荷載增大，梁端截面先進入塑性，塑性區域主要在梁的翼緣、腹板區域發展，節點加強板件屈服區域有限，節點的破壞發生在梁端。

（3）在節點從開始受力到節點破壞的完整過程中框架柱和節點域處于彈性階段，對于窯尾框架梁柱節點，柱截面參數對節點影響較小。

表3 往復荷載位移曲線特征值

表4 節點耗能指標

（4）加強環式鋼管混凝土節點具有良好的延性和耗能性能，各節點的延性系數均＞3.0，等效粘滯系數＞0.4，可以看出節點具有良好的抗震性能。

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The Seismic Performance Estimation of Preheater Frame Structural System Joints

WANG Qingjiang
(Tianjin cement industry design&research institute,Tianjin 300400)

TU398.9

A

1001-6171（2017）05-0071-07

2017-03-28； 編輯：趙 蓮