帶加強型節點的裝配式輕鋼框架結構性能優化★

孫小茜 賈穗子

(中國地質大學(北京)工程技術學院，北京 100083)

0 引言

裝配式框架結構的薄弱環節在于梁柱連接節點，國內外研究學者設計了一系列裝配式梁柱節點，以便增強裝配式框架結構的抗震性能。同時梁柱裝配式節點的廣泛應用可以降低焊接成本、提高施工的質量、降低運輸費用，提高了安全指數。

本文通過對方鋼管混凝土裝配式連接節點的改造可以有效地推進節點的推廣應用，有利于達到我國建筑業節能降耗的目標[1，2]。相比于其他普通的裝配式梁柱節點，加強型節點[3]表現出抗震、抗彎以及剛度性能優越的特點。

1 試件概況

1.1 框架概況

本文采用三種不同的參數設計27個單層單跨輕型鋼管再生混凝土框架試件，梁、柱均采用方鋼管再生混凝土制成，見圖1。試件編號根據不同柱高度1 500 mm,1 750 mm,2 000 mm分類為ZP-1-n(n=1～9),ZP-2-n(n=1～9),ZP-3-n(n=1～9)，方鋼管再生混凝土框架結構的連接節點均為加強型連接節點。試件詳細信息分別見表1～表3。

表1 柱高度為1 500 mm時試件設計參數

表2 柱高度為1 750 mm時試件設計參數

表3 柱高度為2 000 mm時試件設計參數

1.2 加強型節點概況

梁柱均由兩個等邊角鋼一端用螺栓與梁栓接柱面焊接，另一端與柱面焊接，在角鋼中部焊接直徑為 20 mm 短鋼筋的加勁肋組成加強型節點構造，見圖2。

2 有限元模型的建立

運用Abaqus有限元分析軟件建立27個模型試件，從part部分開始創建方鋼管梁柱體、角鋼、內置鋼筋以及剛性加載頭加載梁等部件。由于螺栓受到復雜應力，模型會發生不收斂的情況，所以對模型的梁柱節點連接處部分做出相應的簡化。對構件部分附加屬性時，鋼材考慮用理想彈塑性模型的本構關系，不考慮應力—應變關系中的強化階段；由于再生混凝土受到方鋼管的約束，所以再生混凝土的本構關系與無約束的情況下有所不同，再生混凝土考慮則選用損傷塑性模型，本構關系參考Mander約束混凝土模型[4]和楊有福本構模型[5]，受拉本構模型則考慮選用普通混凝土本構模型。

對模型材料附加屬性后，將加載梁與柱體、加載頭與柱體側面均采用綁定。節點與梁柱連接采用綁定約束。

在布置荷載時，先將框架柱底及柱腳方鋼管棱邊設置為固定邊界條件，幾何邊界條件不發生改變。step-1施加600 kN集中力的豎向荷載在頂端剛體加載梁上截面的幾何中心處(參考點RP-1)，使600 kN分配到柱頂端。step-2施加位移控制加載，施加在加載頭左側截面幾何中心處(參考點RP-2)，加載頭的幾何中心設置在與梁中心線等高。通過分布耦合約束將參考點與加載頭左側面進行綁定，使得模型更好的進行收斂，上端自由變形，下端底面邊界固定。

考慮到位移加載的方式要比力加載模式更容易收斂，本文模型采用水平單向單調位移控制加載如圖3所示。

3 應力云圖對比

通過控制變量的方式來研究不同參數下對框架變形和節點破壞的影響。

3.1 混凝土強度對框架性能的影響

柱高和梁柱截面尺寸保持不變，只控制混凝土強度，分別澆筑C30再生混凝土、C40再生混凝土以及C50再生混凝土，從而來研究混凝土強度對框架性能的影響程度。27個模型組成9組數據進行分析，以具有代表性的一組數據為例，如圖4所示。

由圖4可得:柱腳和節點的損傷嚴重，已達到屈服，兩側柱子已發生明顯的彎曲變形。應力云圖中構件的變形以及Mises應力數據顯示，當柱高和梁柱截面尺寸保持不變，隨著再生混凝土強度的增強，模型的損傷變形程度逐漸減小，結構受到的應力增大，但對提高框架的抗彎能力和剛度不明顯。

3.2 梁柱截面尺寸對框架性能的影響

柱高和再生混凝土強度保持不變，只控制梁柱截面尺寸，尺寸控制在100 mm×100 mm,120 mm×120 mm以及150 mm×150 mm，研究梁柱截面尺寸對框架性能的影響程度。以代表性的一組數據為例，見圖5。

由圖5各試件破壞應力云圖中構件的變形以及Mises應力數據可得，當柱高和混凝土強度保持不變，隨著梁柱截面尺寸增大，模型的損傷變形程度逐漸減小，結構受到的應力增大，表明增加梁柱截面尺寸能夠提高框架的抗彎能力和剛度，且增大截面尺寸比增強再生混凝土強度使得剛度和抗彎能力優化明顯。

3.3 柱高對框架性能的影響

梁柱截面尺寸和再生混凝土強度保持不變，改變柱子高度，尺寸分別為1 500 mm,1 750 mm 以及2 000 mm，研究柱高對框架性能的影響程度。以具有代表性的一組數據為例，見圖6。

破壞應力云圖中構件的變形以及Mises應力數據顯示，當梁柱截面尺寸和混凝土強度保持不變，隨著柱子高度的減小，模型的損傷變形程度逐漸減小，結構受到的應力增大，表明柱高減小，可提高框架的抗彎能力和剛度，分析得出柱高對框架性能的影響比其他兩種參數影響更大。

綜上所述，由圖4～圖6對比分析：試件的破壞主要發生在柱腳，變形主要發生在柱腳和連接節點，柱腳鋼板受力達到屈曲時，隨著位移角的增大，形成了塑性鉸，試件變形整體可控，表明連接節點對框架結構起到加強作用。

通過優化可得，增大再生混凝土強度與梁柱截面尺寸，同時降低柱高，可減小模型損傷變形，提高了裝配式框架的剛度。但是3個參數對框架的影響程度不同。當柱子高度為1 500 mm時，ZP-1-5，ZP-1-6，ZP-1-7，ZP-1-8,ZP-1-9五個試件受到的破壞以及變形最小，說明柱高對加強型節點裝配式框架結構的影響最強。其次是梁柱截面尺寸，對混凝土強度影響最小。

4 耗能曲線對比

以柱高為1 500 mm、梁柱截面尺寸為100 mm×100 mm以及再生混凝土強度分別為C30,C40,C50的模型為例，得出Artificial strain energy(偽應變能)曲線、Internal energy(內能)曲線以及Strain energy(彈性應變能)曲線，列出ZP-1-1,ZP-1-4,ZP-1-7三組曲線，圖7中細曲線(Internal energy 內能)在最上端斜率最大，能量為9×106J。粗曲線(Artificial strain energy 偽應變能)變化很平緩。圖中偽應變能小于內能5%，模型沒有出現沙漏模態，模型能夠抵抗剛度變形，故分析出模型建立合理。

通過改變3個參數，對27組試件的耗能曲線對比可得：提高梁柱截面尺寸對試件的耗能能力影響最大，尤其是當梁柱截面尺寸從120 mm×120 mm增加到150 mm×150 mm。其次是柱高對試件耗能的提升，混凝土強度的提升很微弱。其中ZP-1-9內能消耗量為33.75×106J，彈性應變能為27.75×106，其耗能能力是最強的；而試件ZP-3-1的內能消耗量為3.75×106J，彈性應變能為3.75×106，其耗能能力最弱的，兩者差異顯著。

5 結語

為了對加強型節點的裝配式方鋼管再生混凝土框架結構進行優化，本文考慮了3種變量對其進行研究，包括混凝土強度、柱高以及梁柱截面尺寸。一共設計了27個試件，運用Abaqus軟件對其進行非線性分析，主要得到以下結論：

1)隨著混凝土強度的提升、梁柱截面尺寸的增大以及柱高的降低，都使得模型損傷變形程度逐漸減弱，提高了裝配式框架的剛度。

2)柱高對加強型節點裝配式框架結構變形的影響最強，其次是梁柱截面尺寸，影響最小的是混凝土強度。

3)隨著混凝土強度的提升、梁柱截面尺寸的增大以及柱高的降低，試件的耗能能力都得到了提高。

4)增強混凝土強度，其他參數不變，能夠提高試件耗能能力約為7.05%；增加梁柱截面尺寸提高試件耗能能力約為109.35%；降低柱高彈性應變能提高約50.55%。梁柱截面尺寸對試件的耗能能力的提高最大，其次是柱高的影響，混凝土強度的影響最小。

5)27個試件中，ZP-1-9耗能能力以及抵抗變形的能力最強，試件ZP-3-1耗能能力和抵抗變形的能力最弱，兩者差異很大。