不同削弱形式下中空夾層鋼管混凝土柱-鋼梁節點抗震性能分析

李 鑫，汪小平，余 濤

(江西理工大學 土木與測繪工程學院，江西 贛州 341000)

0 前 言

中空夾層鋼管混凝土構件是由內外兩個鋼管相嵌套，兩鋼管中間空隙灌注混凝土而成的一種構件，跟傳統鋼管混凝土柱相比，其自重更輕、耐火性能和抗震性能也更強，隨著鋼管混凝土結構快速發展，研究人員對于中空夾層鋼管混凝土結構中柱的承壓做了一些研究，但對中空夾層鋼管混凝土柱-鋼梁節點研究甚少，中空夾層鋼管混凝土柱-鋼梁節點作為結構的重要受力部位，對其進行研究具有重要意義。

在我國實際工程中，廣泛采用的是梁端加強型連接方式。而大量試驗探索表明在距離梁一定距離進行梁端削弱可以獲得良好的滯回性能，使其梁上的塑性鉸在外移至削弱處，從而保證梁先于柱破壞，符合設計原則，為探究不同削弱方式對節點抗震性能的差異，本文根據相關規范與文獻選取了翼緣切削、腹板半圓型切削、翼緣+腹板半圓組合切削3種對鋼梁的削弱方式進行對比分析來探究節點的抗震性能。

1 節點設計與模型的建立

根據相關規范[1-2]節點試件模型以框架結構中柱節點為依據，模型按1∶2比例進行縮尺寸建模，柱子高度取1 200 mm,柱頂距離鋼梁上翼緣為475 mm,柱底距離鋼梁下翼緣也為475 mm，梁端距離柱子中心位置為1 000 mm。本文將H型鋼梁插入外方鋼管柱內部并與內鋼管進行連接，鋼梁與內外鋼管之間不進行焊接，之后設置加強環板，將鋼梁翼緣與加強環上下環板重合處進行焊接，將其命名為NEWJD-0；在NEWJD-0基礎上將鋼梁分別進行翼緣削弱、腹板圓孔削弱、腹板兩半圓、翼緣削弱+腹板圓孔組合削弱、翼緣削弱+腹板兩半圓組合削弱，分別命名為NEWJD-1、NEWJD-2、NEWJD-3，參考文獻[3]建議削弱寬度取0.65h

應用有限元軟件ABAQUS對4個節點進行精細化建模，采用TIE 綁定約束來模擬焊接[4]，鋼材采用三折線模型，混凝土采用韓林海的適用于約束混凝本構[5],采用對于節點區域網格進行合理加密劃分，網格單元尺寸為25 mm，加密區網格設置為18 mm，所有單元均采用8節點線性減縮積分實體單元(C3D8R)；模型的邊界條件如圖1所示，具體各個部件各項參數如表1～2所示。

圖1 網格劃分與邊界條件設置

表1 節點各部件設計參數(1) 單位：mm

表2 節點各部件設計參數(2) 單位：mm

2 結果分析

由圖2可知：NEWJD-0、NEWJD-1、NEWJD-2 節點鋼梁翼緣切削處與腹板以及加強環板內側四角出現了嚴重應力集中現象NEWJD-3節點鋼梁翼緣腹板發生應力集中現象，加強環板內側輕微應力集中。由圖2可知，3種切削形式的節點都有塑性鉸外移的現象，都有效改善了節點核心區的應力集中現象。符合“強柱弱梁”的設計原則。相比于NEWJD-0，塑性鉸外移是因為有加強環板的作用，而隨著鋼梁進行切削可知加強環內側四個角落應力集中現象得到了有效改善。

(a)NEWJD-0

滯回曲線如圖3所示。

(a)NEWJD-0

由圖3可知，各個節點滯回曲線飽滿，沒有明顯捏縮現象。彈性階段各個節點滯回曲線均呈線性增長趨勢，梁端位移繼續加載，節點進入彈塑性階段，力與位移曲線開始由線性增長轉變呈非線性增長，后期達到峰值增長開始不再增加。

同時對比這幾個滯回曲線可以發現：組合切削后的鋼梁節點的滯回曲線包絡面積最小，未切削的節點滯回曲線包絡面積最大。這說明鋼梁切削雖然減輕了加強環所負擔的荷載減小破壞，但同時也降低了節點的抗震性能。

由圖4可知，梁端位移加載初期，節點處于彈性受力階段，各個節點的骨架曲線基本呈現斜率較大的直線；隨著梁端位移的增加，節點進入塑性階段，此時節點開始進入屈服階段產生塑性變形，增長趨勢開始變緩，之后節點曲線攀升趨勢幾乎不再上升。說明已經開始進入破壞階段。

圖4 不同切削形式下節點的骨架曲線

對比3個鋼梁切削的節點，可看出，梁端位移加載初期，由于位移比較小，3個節點骨架曲線是非常接近的，說明切削對初期剛度影響較小，隨著位移加載的增大，3個節點骨架曲線開始有明顯的區別，節點NEWJD-0、NEWJD-1、NEWJD-2、NEWJD-3 的屈服點上升速度順序依次下降。

由圖5可知，4個節點梁端位移加載前期，剛度退化現象非常明顯，當節點進入屈服階段，各個節點剛度退化現象放緩，整個位移加載過程中剛度退化比較均勻，沒有出現明顯的突變現象，說明節點整體性較好。從4個節點的剛度退化曲線對比中可知：4個節點的剛度退化曲線區別明顯，切削程度較低的節點隨位移的增加始終高于切削程度高的節點，這說明節點的切削程度越高，其節點的初始剛度越低。

圖5 不同削弱形式下節點的剛度退化曲線

由表3可知，鋼梁的切削在分擔加強環板負擔外移塑性鉸的同時，也降低了節點的極限承載能力，相較于無切削的原型節點NEWJD-0，NEWJD-1、NEWJD-2、NEWJD-3的正向極限承載力分別降低了26.870%、20.914%、42.183%，負向極限承載力分別降低了26.629%、20.016%、42.165%。由此可見，鋼梁切削對帶有加強環板的中空夾層鋼管混凝土柱-鋼梁節點影響較大。

表3 各節點正負向極限承載力 單位：kN

由表4可知，隨著節點切削程度越大，屈服位移也越小，相對于NEWJD-0的延性系數，NEWJD-1、NEWJD-2、NEWJD-3延性系數分別提高了3.977%、7.386%、19.886%，由此可知，節點的延性系數隨著切削程度越高、延性越高，同時節點的承載能力也會隨之下降。

表4 各節點延性系數

3 結 論

本文采用有限元軟件ABAQUS對帶加強環板的中空夾層鋼管混凝土柱鋼梁節點以及5種不同削弱形式下的節點進行了抗震性能分析，得到結論如下。

1)不論是何種切削形式，對中空夾層鋼管混凝土柱鋼梁節點的滯回性能影響都比較大。

2)3種削弱形式下節點的塑性鉸都有效實現外移動。

3)翼緣與腹板同時削弱的情況下節點的延性最好但同時承載力下降的也是最多的

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