實(shí)復(fù)及空復(fù)式鋼管混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能分析*

2019-07-19 10:23:52畢靈云

沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 2019年4期

王穎，畢靈云

(沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，沈陽 110870)

隨著我國建設(shè)事業(yè)的迅猛發(fā)展，結(jié)構(gòu)工程技術(shù)也得到快速發(fā)展.鋼管混凝土最早應(yīng)用于橋墩和工業(yè)廠房中.在20世紀(jì)80年代，外國學(xué)者主要研究了鋼管混凝土的抗震性能和耐火性能[1-3].近年來，各國學(xué)者對鋼管混凝土動(dòng)力性能的研究也進(jìn)一步深入，目前又開始了對復(fù)式鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究.復(fù)式鋼管混凝土結(jié)構(gòu)就是在方鋼管中加入了圓鋼管，內(nèi)嵌的圓鋼管可以有效地約束內(nèi)部混凝土，彌補(bǔ)了單層鋼管混凝土對核心混凝土約束不足的缺點(diǎn)，同時(shí)外層的方鋼管兼具外表美觀、與梁連接方便等優(yōu)勢，具有良好的工程應(yīng)用性.復(fù)式鋼管混凝土又分為實(shí)復(fù)和空復(fù)式鋼管混凝土兩種結(jié)構(gòu)，實(shí)復(fù)式鋼管混凝土內(nèi)嵌的圓鋼管中澆有混凝土，空復(fù)式鋼管混凝土內(nèi)嵌的圓鋼管中無混凝土，兩種結(jié)構(gòu)的截面如圖1所示.實(shí)復(fù)式鋼管混凝土結(jié)構(gòu)能夠充分發(fā)揮圓鋼管的約束效應(yīng)，空復(fù)式的結(jié)構(gòu)具有較好的抗震性能和抗火性能，且自重相對較輕[4-5].把兩種結(jié)構(gòu)做對比，從而深入地分析兩者抗震性能的具體差異.通過已經(jīng)完成的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用ABAQUS進(jìn)行模擬，分析實(shí)復(fù)式鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)，將得到的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比，若結(jié)果相對準(zhǔn)確，則繼續(xù)對空復(fù)式鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)進(jìn)行模擬分析，對比分析兩種節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布，為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在工程中的應(yīng)用提供指導(dǎo).

圖1 實(shí)復(fù)及空復(fù)式鋼管混凝土Fig.1 Solid and hollow multiple concrete filled steel tubes

1 試驗(yàn)概況

1.1 低周循環(huán)荷載試驗(yàn)

低周循環(huán)荷載試驗(yàn)就是對構(gòu)件在正反兩個(gè)方向上施加反復(fù)荷載，也叫擬靜載試驗(yàn)，一般在模擬地震時(shí)使用.結(jié)構(gòu)的抗震性能通過分析結(jié)構(gòu)的滯回性能、骨架曲線、剛性和延性及耗能能力等抗震指標(biāo)來體現(xiàn).

1.2 試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)模型

1.3 節(jié)點(diǎn)加載制度

模型加載時(shí)首先在柱頂施加軸向荷載，其次在梁的兩端施加豎向循環(huán)荷載.加載過程與試驗(yàn)一致，采用位移加載控制.屈服前每級循環(huán)一次，從屈服開始每級循環(huán)三次.加載歷程如圖4所示.圖4中，Δy為梁端屈服位移，t為加載時(shí)間.

圖2 節(jié)點(diǎn)模型尺寸Fig.2 Joint model size

圖3 節(jié)點(diǎn)詳圖Fig.3 Joint details

圖4 加載制度Fig.4 Loading principle

2 有限元模型的建立

2.1 混凝土的本構(gòu)關(guān)系

外方鋼管與內(nèi)圓鋼管之間的混凝土受力較為復(fù)雜，且鋼管混凝土柱在軸心受壓作用下，也要考慮鋼管與混凝土之間的相互作用.文獻(xiàn)[4]通過引入約束效應(yīng)系數(shù)ξ，提出了混凝土受壓的本構(gòu)關(guān)系式，即

(1)

(2)

(3)

2.2 鋼材的本構(gòu)關(guān)系

2.3 相互作用及約束條件

圖5 混凝土受壓應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.5 Stress-strain relation curves of concrete under compression

圖6 三段線模型Fig.6 Triple linear model

2.4 有限元模型及單元?jiǎng)澐?/h3>

3 有限元模擬計(jì)算結(jié)果分析

he=E/(2π)

(4)

(5)

圖7 節(jié)點(diǎn)模型及模型單元?jiǎng)澐諪ig.7 Joint model and model unit meshing

表1為模擬值與試驗(yàn)值數(shù)據(jù)對比.結(jié)果顯示，數(shù)值模擬所得的滯回曲線能夠較好地與試驗(yàn)滯回曲線相吻合，粘滯阻尼系數(shù)及能量耗散系數(shù)較接近，從而驗(yàn)證了模型的合理性.

圖8 有限元模擬計(jì)算和試驗(yàn)滯回曲線Fig.8 Finite element simulated calculation and experimental hysteresis loop

圖9 節(jié)點(diǎn)滯回曲線包絡(luò)圖Fig.9 Envelope diagram of joint hysteresis loop

參數(shù)模擬值試驗(yàn)值模擬值/試驗(yàn)值he0.360.311.16E2.261.931.17

骨架曲線是由滯回曲線上每級加載的峰值點(diǎn)連接得到的，通過有限元模型的滯回曲線可以得到其骨架曲線，如圖10所示，模擬值與試驗(yàn)值的梁端承載力對比如表2所示.

圖10 骨架曲線Fig.10 Skeleton curves

由圖10及表2可以看出，有限元分析得出的梁端承載力大于試驗(yàn)得出的梁端承載力，且模擬得到的骨架曲線沒有下降段，說明數(shù)值模擬與試驗(yàn)還存在一定的誤差.這是因?yàn)橛邢拊?jì)算模型忽略了實(shí)際焊縫缺陷的影響，而實(shí)際試驗(yàn)梁端承載力的下降是由焊縫開裂導(dǎo)致的，所以有限元模擬得到的骨架曲線荷載值略高于試驗(yàn)荷載值.

表2 梁端承載力模擬值與試驗(yàn)值對比Tab.2 Comparison between simulated and experimentalvalues of bearing capacity of beam end kN

綜合以上多組數(shù)據(jù)分析，有限元模擬的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果相差不大，有限元模擬的計(jì)算誤差在可控制的范圍內(nèi)，驗(yàn)證了模型的合理性.

4 實(shí)復(fù)及空復(fù)式鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)抗震性能對比分析

4.1 梁端的應(yīng)力變化以及荷載位移滯回曲線

圖11 節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖Fig.11 Nephogram of joint stress

由圖11可以看出，兩種組合結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)在達(dá)到破壞狀態(tài)時(shí)的破壞模式均是首先在梁根部發(fā)生屈曲變形.由彈性階段進(jìn)入到屈服階段后，在水平端板與梁根部的連接處產(chǎn)生塑性鉸，繼續(xù)加載，梁端荷載傳向節(jié)點(diǎn)核心區(qū)，由核心區(qū)傳遞給柱子，節(jié)點(diǎn)周圍處于高應(yīng)力區(qū)，最終由于梁根部的破壞導(dǎo)致試件破壞.在整個(gè)加載過程中，兩種組合結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的核心區(qū)均沒有被破壞，滿足“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)要求.

圖12 兩種節(jié)點(diǎn)滯回曲線Fig.12 Hysteresis curves of two kinds of joints

由圖12可以看出，兩種節(jié)點(diǎn)的滯回曲線均較飽滿，但實(shí)復(fù)式的滯回環(huán)面積更大一些，說明實(shí)復(fù)式的耗能能力及抗震性能較好，即內(nèi)嵌的圓鋼管可起到有效的約束作用，抑制了內(nèi)部混凝土的開裂.節(jié)點(diǎn)耗能能力對比結(jié)果如表3所示，計(jì)算分析結(jié)果表明實(shí)復(fù)式鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)的耗能能力相對空復(fù)式的提高了14%.