不同加載方式下鋼管混凝土角柱節(jié)點(diǎn)抗震性能研究

韓琳 李泉荃

摘 要：通為研究不同加載方式下鋼梁-鋼管混凝土角柱節(jié)點(diǎn)的抗震性能，基于有限元計(jì)算軟件ABAQUS建立了4個(gè)三維實(shí)體模型，分別以柱端0度、柱端45度、梁端同向、梁端反向等不同加載方式為控制變量。經(jīng)過計(jì)算分析表明，不同加載方式對試件破壞形態(tài)影響較大;柱端加載角度不同對試件滯回性能和承載力影響不大;梁端加載方向不同對試件滯回性能和承載力影響較大。

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土;角柱節(jié)點(diǎn);抗震性能;加載方式

中圖分類號：TU375? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）01-0115-03

1引言

鋼管混凝土構(gòu)件由于其承載力高、抗震性能優(yōu)越等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于高層和超高層建筑以及橋梁結(jié)構(gòu)中。我國針對鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)抗震性能的研究已經(jīng)開展數(shù)十年，已經(jīng)取得豐碩的研究成果、理論及研究方法[1]。現(xiàn)有研究多為平面節(jié)點(diǎn)受平面內(nèi)地震作用的研究，對于空間節(jié)點(diǎn)的抗震性能研究還較少。樊健生等[2]完成了3個(gè)方鋼管混凝土柱-組合梁節(jié)點(diǎn)在雙向荷載作用下的試驗(yàn)研究。研究表明，與平面節(jié)點(diǎn)相比，空間節(jié)點(diǎn)在雙向荷載作用下，承載力降低超20%，延性降低超10%。

為研究鋼管混凝土柱空間節(jié)點(diǎn)的抗震性能，本文建立了4個(gè)鋼管混凝土柱-鋼梁角節(jié)點(diǎn)有限元模型，研究在不同加載方式下節(jié)點(diǎn)的抗震性能。

2 有限元模型

2.1節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

本文在某現(xiàn)有框架結(jié)構(gòu)建筑基本尺寸的基礎(chǔ)上，選取該建筑角柱節(jié)點(diǎn)，柱高取2000mm，梁長度取1500mm，方鋼管混凝土柱與H型鋼梁間的連接采用由日本學(xué)者[3]提出的拼接式外環(huán)板，連接方式為焊接，鋼材采用Q355級鋼，核心混凝土強(qiáng)度等級為C50，并按楊鍇提出的“梁柱混合鉸”屈服機(jī)制，控制柱梁強(qiáng)度比在1.1以上，控制梁柱剛度比在1-4范圍內(nèi)[4]。試件詳細(xì)尺寸如圖1所示，設(shè)計(jì)柱梁強(qiáng)度比1.25，梁柱剛度比為1.29。控制加載方式分為4種，加載方式1（0°柱端加載，指柱端位移荷載平行于y向梁）;加載方式2（45°柱端加載，柱端位移荷載與x向梁及y向梁成45°角）;加載方式3（梁端施加反向位移荷載）;加載方式4（梁端施加同向位移荷載）。

2.2 有限元模型

根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸運(yùn)用有限元軟件Abaqus建立三維實(shí)體模型，單元類型為C3D8R，運(yùn)用Abaqus中的綁定約束模擬焊接，方鋼管壁與核心混凝土采用面-面接觸屬性定義，切向采用罰函數(shù)摩擦，摩擦系數(shù)取0.6，徑向采用“硬”接觸，采用彈性模量無限大、泊松比無限小的彈性體模擬加載端板，彈性模量為20000Gpa，泊松比為1E-5。

2.3 材料本構(gòu)

梁、柱及外環(huán)板鋼材標(biāo)號為Q355，本構(gòu)采用雙折線隨動強(qiáng)化模型，并考慮在往復(fù)荷載作用下的包辛格效應(yīng)，屈服強(qiáng)度fy為355MPa，彈性模量為206Gpa，泊松比為0.3，強(qiáng)化段模量為彈性模量的0.01倍。混凝土采用Abaqus提供的塑性損傷模型，強(qiáng)度等級為C50，fc為40.1Mpa，ft為3.0Mpa，彈性模量為34500MPa，泊松比為0.2。鋼管內(nèi)核心混凝土受壓采用劉威[5]提出的適用于有限元模擬的核心混凝土本構(gòu)模型，受拉采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中建議的單軸受拉本構(gòu)模型。

2.4 邊界條件及加載制度

JD-1、JD-2柱底鉸接、約束x、y、z方向平動，x向梁約束y、z方向平動，y向梁約束x、z方向平動，JD-1在柱頂施加平行于y向梁的位移荷載，JD-2在柱頂施加與x向梁和y向梁夾角為45度的位移荷載;JD-3、JD-4柱底與柱頂鉸接，x向梁約束y向平動，y向梁約束x向梁平動。柱端及梁端加載均采用位移控制加載，以層間位移角為控制變量，層間位移角分別為0.0025、0.005、0.0075、0.01、0.0125、0.015、0.0175、0.02、0.03、0.04、0.05，每級循環(huán)兩圈。

3 模擬結(jié)果分析

研究不同加載方式下鋼梁-鋼管混凝土角柱節(jié)點(diǎn)抗震性能研究，主要從破壞形態(tài)、滯回曲線、骨架曲線、剛度退化、耗能等性能指標(biāo)分析其抗震性能。

3.1 破壞形態(tài)

觀察不同節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)，JD-1與JD-2加載過程中，柱腳位置先達(dá)到屈服，隨著加載的繼續(xù)，與加強(qiáng)環(huán)連接處的柱端、加強(qiáng)環(huán)及粱翼緣先后出現(xiàn)屈服，最后屈服區(qū)域擴(kuò)展到梁腹板。JD-1應(yīng)力及變形圖如圖2（a）所示，由于加載平行于y向梁，因此x向梁應(yīng)力遠(yuǎn)小于y向梁，通過圖2（b），JD-2相比JD-1，節(jié)點(diǎn)域上方鋼管混凝土柱鼔曲明顯。JD-3及JD-4加載過程中，粱翼緣與加強(qiáng)環(huán)邊界位置首先出現(xiàn)屈服，隨著加載的繼續(xù)進(jìn)行，加強(qiáng)環(huán)與柱邊界位置、鋼管混凝土柱核心區(qū)先后達(dá)到屈服，最后階段梁翼緣屈服逐步擴(kuò)展到梁腹板。對比JD-3與JD-4應(yīng)力及變形圖，JD-4梁端應(yīng)力更大，其梁腹板破壞更加明顯。綜上，加載方式1由于單梁承受大部分反力，因此加載方式對節(jié)點(diǎn)應(yīng)力及變形影響明顯，相比45度加載，0度加載更容易造成應(yīng)力集中，更不利于抗震;梁端加載時(shí)由于一個(gè)方向加載時(shí)會給予另一端梁往另一方向偏移的趨勢，因此梁端同向加載相比梁端反向加載梁端應(yīng)力更大，更不利于抗震。

3.2滯回曲線

試件有限元模擬彎矩M-轉(zhuǎn)角θ滯回曲線如圖3所示。通過觀察，所有試件滯回曲線均為飽滿的“梭形”，說明所有試件均具有良好的耗能能力。加載初期，試件處于彈性階段，荷載與位移呈線性關(guān)系，隨著荷載的增大，試件逐漸進(jìn)屈服，所有試件均未出現(xiàn)下降趨勢，說明具有良好的塑性變形能力。對比節(jié)點(diǎn)JD-1與JD-2，滯回曲線形狀相似，說明角柱節(jié)點(diǎn)柱端加載時(shí)，加載角度對節(jié)點(diǎn)滯回性能影響不大;對比JD-3與JD-4，JD-4滯回曲線更加飽滿，說明梁端加載時(shí)，加載方向?qū)?jié)點(diǎn)滯回性能影響較大。觀察JD-3與JD-4，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)x向梁與y向梁具有相似的破壞形態(tài)及滯回性能，后文中JD-3與JD-4均選取x向梁作為分析對象。

3.3 骨架曲線

將試件加載至第一循環(huán)峰值荷載與對應(yīng)的位移的比值定義為試件的初始剛度Ke，根據(jù)Slope factor method方法[6]分別以1/3Ke、1/6Ke為斜率的直線相切試件骨架曲線，將兩者交點(diǎn)分別定義為試件的屈服點(diǎn)及塑性點(diǎn)。

不同加載方式下鋼管混凝土角柱節(jié)點(diǎn)的骨架曲線如圖4所示，JD-1至JD-4的屈服荷載分別為214.10KN·m、219.42KN·m、130.59KN·m、150.33KN·m，相比JD-1，JD-2的屈服荷載增加了2.49%，相比JD-3，JD-4的屈服荷載增加了15.12%;JD-1至JD-4的塑性荷載分別為235.33 KN·m、236.48KN·m、141.87KN·m、157.53KN·m，相比JD-1，JD-2的塑性荷載增加了0.49%，相比JD-3，JD-4的塑性荷載增加了11.03%。可以看出，柱端加載時(shí)，不同的加載角度對節(jié)點(diǎn)的承載力影響不大;梁端加載時(shí)，不同加載方向?qū)?jié)點(diǎn)承載力影響較大;相比梁端加載與柱端加載，柱端加載承載力更高。

4 結(jié)論

通過分別對鋼管混凝土角柱節(jié)點(diǎn)柱端加載方向0°、柱端加載方向45°、梁端反向加載、梁端同向加載等4個(gè)不同加載方式的力學(xué)性能進(jìn)行分析比較，得出如下結(jié)論：

（1）加載方式對節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力及破壞形態(tài)影響較大，相比柱端45度加載，柱端0度加載更容易造成應(yīng)力集中，更不利于抗震;梁端同向加載相比梁端反向加載梁端應(yīng)力更大、梁端破壞現(xiàn)象更明顯，更不利于抗震。

（2）所有試件滯回曲線均為飽滿的“梭形”，具有良好的抗震耗能能力，柱端加載時(shí)，不同加載角度對試件滯回性能影響不大;梁端加載時(shí)，不同加載方式對試件滯回性能有一定影響。

（3）柱端加載時(shí)，0°與45°方向加載對節(jié)點(diǎn)的承載力影響不大;梁端加載時(shí)，梁端加載方向的不同對節(jié)點(diǎn)承載力影響較大。

參考文獻(xiàn)：

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