方鋼管混凝土柱—鋼梁角鋼連接節(jié)點(diǎn)抗震性能分析

徐 嫚 劉書堯

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，科技不斷進(jìn)步，人民生活水平逐漸的提高，對建筑的要求也越來越多元化，已經(jīng)不再滿足于傳統(tǒng)的磚混、鋼筋混凝土等常見的結(jié)構(gòu)形式。鋼管混凝土相對于傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)，其綜合了鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，使其結(jié)構(gòu)體系的延性、承載力和耗能能力都比單獨(dú)的鋼結(jié)構(gòu)或混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)異，而得到了廣泛的重視[1-3]。

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)顧名思義，即在鋼管中澆筑混凝土而形成的一種組合結(jié)構(gòu)。可分為圓形、方形、多邊形等鋼管混凝土形式，而最常見的是圓鋼管和方鋼管混凝土形式[4-6]，如圖1所示。

梁柱連接節(jié)點(diǎn)根據(jù)剛度性能的不同，分為剛接、鉸接和半剛性連接，如圖2所示。半剛性連接框架在一定程度上彌補(bǔ)了完全剛接框架和完全鉸接框架的缺點(diǎn)，比鉸接更貼近實(shí)際生活情況，比剛接具有更好的抗震性能。因此，半剛性連接節(jié)點(diǎn)具有較為顯著的應(yīng)用前景[7,8]。

首先對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合有限元軟件模擬分析，最后利用組件法建立節(jié)點(diǎn)的初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度計(jì)算模型。通過探究半剛性節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能，為研究地震作用下節(jié)點(diǎn)的受力機(jī)理提供重要依據(jù)，為設(shè)計(jì)新型節(jié)點(diǎn)提供思路。

1 新型鋼管混凝土柱—鋼梁節(jié)點(diǎn)的形式

新型節(jié)點(diǎn)是采用角鋼和連接板結(jié)合螺栓將梁柱進(jìn)行連接，具體方式為將角鋼短肢處與柱壁進(jìn)行焊接，長肢處與梁翼緣通過四個(gè)高強(qiáng)螺栓進(jìn)行連接，為了保證角鋼的剛度，在角鋼上增加加勁肋，梁上下翼緣均做此處理。梁腹板處單側(cè)有一連接板，將連接板焊接在柱壁上，再用螺栓將連接板與梁腹板進(jìn)行連接。具體連接形式如圖3所示。

新型節(jié)點(diǎn)的具體尺寸如表1所示，設(shè)定軸壓比為0.23，軸力為770 kN。

表1 構(gòu)件尺寸

2 有限元模型的建立

在使用ABAQUS進(jìn)行有限元建模時(shí)，節(jié)點(diǎn)由鋼管、混凝土、鋼梁、角鋼和螺栓等共同組合而成。模型分析單元一般分為線性單元和二次單元[9]，本模型分析從精度要求角度而言，線性單元和二次單元差別不大，而線性單元可以增加計(jì)算效率[10]，因此本模型分析選用線性單元。創(chuàng)建實(shí)體部件并確定截面屬性之后進(jìn)行裝配，定義各個(gè)接觸面的相互作用，然后施加荷載和劃分網(wǎng)格，最后進(jìn)行分析計(jì)算，如圖4所示。

3 節(jié)點(diǎn)抗震性能分析

3.1 節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)

應(yīng)用ABAQUS建立好有限元模擬的模型后，在柱頂軸心施加豎向力，梁端兩側(cè)同時(shí)分別施加向上與向下的循環(huán)荷載。最終得到有限元模擬的破壞形態(tài)，角鋼加勁肋屈曲和梁與角鋼脫離，如圖5所示。

3.2 滯回曲線

滯回曲線是反映節(jié)點(diǎn)抗震性能好壞的重要依據(jù)，它描述的是節(jié)點(diǎn)在梁端兩側(cè)同時(shí)分別施加向上與向下的循環(huán)荷載時(shí)，節(jié)點(diǎn)的變形情況和能量耗散的特性。由圖6可以看出，節(jié)點(diǎn)的滯回曲線飽滿度較好，變化均勻。表明此新型節(jié)點(diǎn)塑性變形能力強(qiáng)，在這一指標(biāo)下體現(xiàn)的抗震性能良好。

3.3 骨架曲線

對試件進(jìn)行循環(huán)加載的過程中，通過位移與施加荷載的讀數(shù)可以繪制骨架曲線。從骨架曲線中，我們可以分析出極限強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度，剛度退化，強(qiáng)度退化等狀況，如圖7所示。

4 結(jié)語

本文使用ABAQUS有限元軟件對鋼管混凝土角鋼連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，并與試驗(yàn)結(jié)果對比，得出以下結(jié)論：

1)首先介紹了方鋼管混凝土柱—鋼梁角鋼連接節(jié)點(diǎn)有限元模型的主要建立過程，包括鋼材的本構(gòu)關(guān)系設(shè)置、混凝土塑性損傷、各部件網(wǎng)格的劃分、邊界條件和接觸的設(shè)置，對模型按照試驗(yàn)的加載制度設(shè)置了荷載，使數(shù)值模擬與試驗(yàn)盡可能的保持一致性，保證了模型建立的合理性。

2)模型的滯回曲線均呈現(xiàn)較為豐滿的梭形，說明角鋼連接節(jié)點(diǎn)具有較好的耗能能力。

3)角鋼連接節(jié)點(diǎn)在循環(huán)荷載下經(jīng)歷了彈性→塑性→極限破壞的三個(gè)受力階段，骨架曲線明顯呈S形。

4)通過模擬，得到試件的破壞形態(tài)為節(jié)點(diǎn)均產(chǎn)生了角鋼加勁肋屈曲、梁與角鋼長肢相分離，角鋼撕裂的現(xiàn)象，通過破壞形態(tài)與預(yù)想的結(jié)果對比可說明有限元模型的本構(gòu)關(guān)系、單元設(shè)置及邊界條件均是比較合理的。

參考文獻(xiàn):

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