復式鋼管混凝土柱-鋼梁節點的削弱設計及其對抗震性能的影響研究

李偉浪

（江西理工大學土木與測繪工程學院，江西 贛州 341000）

0 引言

過去的一段時間里，人們對傳統的鋼管混凝土結構的研究較多，主要側重在混凝土、立柱、橫梁、連環板等結構方面的研究，而對復式鋼管混凝土構件和節點結構的研究則較少。從幾次大地震來看，以往抗彎框架的剛性連接方式并不能達到人們所預期的目的，于是提出了削弱鋼梁的方式，形成“強柱弱梁、強節點弱構件”的抗震設計理念。本文主要針對復式鋼管混凝土柱-H梁節點鋼梁受力進行研究分析，研究鋼梁腹板削弱和鋼梁翼緣削弱兩種設計方式，重點研究這種設計對抗震性能的影響，這對復式鋼管混凝土在實際工程的應用具有理論指導意義。

1 試件設計

在試件設計中，首先對節點的柱的構造進行設計，根據《新型組合結構柱—試驗、理論與方法》[1]、《鋼結構設計標準》[2]提到的矩形鋼管混凝土柱邊長尺寸應≥150mm。模型按照1∶2比例縮尺建模，本文設計的鋼管混凝土外柱為250mm×250mm，內柱為150mm×150mm，兩層柱的截面如圖1所示，柱壁厚度≥3mm，柱壁厚度為12mm，柱高取1800mm，滿足規范要求。按照規范規定，混凝土強度等級不低于C30。復式鋼管混凝土柱的承載力較大，為了節省混凝土材料，故采用C30混凝土。鋼梁采用的尺寸為250mm×125mm×8mm×10mm[3]。

圖1 兩層柱的截面節點網格圖

具體施工工序：先在外鋼柱與梁端連接部位鑿孔，為了方便施工，孔可以稍大→內、外鋼柱固定好→將鋼梁與內鋼柱焊接→進行內、外鋼柱兩層混凝土澆筑[4]→外加強環板與鋼梁、外鋼柱進行焊接[5]。

2 鋼梁腹板削弱對節點抗震性能影響

腹板削弱形狀如圖2所示，各削弱參數如表1所示。其中a、b分別為矩形削弱的寬和長，r為圓形削弱與半圓形削弱的半徑[6]，x、y分別為十字形削弱小矩形寬和長。

圖2 鋼梁腹板削弱平面示意圖

表1 鋼梁腹板削弱形狀參數

2.1 滯回曲線

滯回曲線如圖3所示。由圖3可知，4種節點的滯回曲線均經歷了彈性階段，加載初期曲線呈直線上升。NFB-JX節點的滯回曲線較規則飽滿，節點鋼梁腹板削弱形狀較規則，而其他3種節點由于鋼梁腹板削弱較不規則，在每次循環加載到峰值點后，由于鋼梁承載力不足，不能恢復到最大的應力值，滯回曲線出現不規則的情況。說明節點NFB-JX的抗震性能要優于其他3種節點。

圖3 不同削弱形式四種節點的滯回曲線

2.2 骨架曲線

由圖4可知，4個節點的骨架曲線均經歷了彈性階段，屈服位移有差別，在加載初期4條曲線的斜率基本重合，加載初期節點的性能相差不大，加載中后期，4條曲線增長緩慢，由于鋼梁腹板削弱導致鋼梁承載力下降，4個節點的極限荷載均較小[7]。鋼梁腹板削弱形狀不同，曲線的屈服荷載、極限承載力也不同。其中節點NFBJX的極限承載力最大。節點NFB-BY因為開孔面積相較與其他3個節點最小，所以屈服荷載與極限承載力比節點NFB-YX、NFB-SZ大。可見鋼梁腹板削弱形狀、開孔面積大小對節點的承載力、抗震性能影響較大。

圖4 4種不同鋼梁腹板削弱節點骨架曲線

2.3 延性系數與承載力

延性系數與承載力見表2，由表2可知，節點的延性系數均大于3，說明4個節點均具有良好的抗震性能。因為節點NFB-BY的開孔面積最小，其屈服荷載、極限承載力最大，延性系數也最大。因為節點NFBJX、NFB-YX、NFB-SZ開孔平面面積大小相等，節點NFB-JX因為其開孔形狀相較于節點NFB-SZ、NFBYX來說較規則，所以其屈服荷載、極限承載力、延性系數也更大。說明節點NFB-BY可承受的塑性變形更大、抗震性能更好。

表2 節點延性系數與承載力

3 鋼梁翼緣削弱對節點的抗震性能影響

鋼梁翼緣削弱位置如圖5所示，削弱參數如表3所示。按照規范《高層民用建筑鋼結構技術規程》[8]，所取削弱參數如下：削弱寬度f，取0.65h＜f＜0.85h，這里取175mm；削弱深度h取0.08bf、0.16bf、0.24bf，其中bf為梁翼緣寬度；梁端到削弱區中心距離e取225mm，g取（0.5～0.75）bf，削弱端離梁端距離d取137.5mm。

圖5 鋼梁翼緣削弱構造圖

表3 節點鋼梁翼緣削弱構造參數（單位：mm）

3.1 滯回曲線

從圖6可知，4種節點的滯回曲線均經歷了彈性階段，加載初期曲線呈直線上升。4種節點滯回曲線均較飽滿。其中節點NXR-30的滯回曲線高度較低，相對其他3個節點的滯回曲線沒那么飽滿，到達的峰值荷載也較小，這是因為在加載過程中出現鋼梁的承載力不足，加強環板又得不到充分利用，說明削弱深度太大會降低節點的抗震性能[9]。

圖6 不同削弱深度節點滯回曲線

3.2 骨架曲線

骨架曲線如圖7所示，4個節點的骨架曲線均經歷了彈性階段，屈服位移相差較大，在加載初期4條曲線的斜率基本重合，加載初期節點的性能相差不大，隨著鋼梁翼緣削弱深度的增加，曲線的屈服荷載、極限承載力下降。可見鋼梁翼緣削弱深度的增大不利于提升節點的抗震性能。

圖7 4種不同削弱深度降低骨架曲線

3.3 節點延性與承載力

節點延性與承載力見表4。由表4可知，4種不同鋼梁翼緣削弱深度的屈服荷載、極限承載力、屈服位移、延性系數均隨著削弱深度的增大而減小。節點延性系數基本大于3，節點均具有良好的延性，進入塑性狀態后所能承受的變形能力更大。節點NXR-0延性系數最大，具有更好的塑性變形能力，抗震性能也更優[10]。

表4 4種不同鋼梁翼緣削弱深度節點延性與承載力

4 結束語

利用ABAQUS軟件研究復式鋼管混凝土柱-鋼梁節點的削弱設計，分析這種結構對抗震性能的影響，得出以下結論：

（1）節點NFB-JX、NFB-BY的抗震性能良好，均能形成“強柱弱梁、強節點弱構件”的抗震設計理念。

（2）在鋼梁腹板削弱平面面積相等的情況下，削弱越規則的節點抗震性能越好；抗震性能又與削弱平面面積大小密切相關。

（3）考慮到實際施工成本和材料，在設計與施工過程中，可以考慮對鋼梁腹板進行矩形或者半圓的削弱。

（4）各節點的抗震性能良好，均能形成“強柱弱梁、強節點弱構件”的抗震設計理念，并且隨著鋼梁翼緣削弱深度的增大，抗震性能逐漸減弱。又考慮到實際施工成本和材料，鋼梁翼緣削弱深度控制在0～10mm之間更優。