方鋼管煤矸石混凝土梁柱節點在雙向循環荷載作用下有限元分析

彭軍PENG Jun；王海任WANG Hai-ren；李翔宇LI Xiang-yu

（①榆林學院建筑工程學院，榆林 719000；②榆林市榆陽區自然資源調查與規劃中心，榆林 719000）

0 引言

上世紀70年代起，我國開展了對煤矸石的綜合利用工作，煤矸石綜合利用產品可替代一次性建材資源，同時減少煤炭的開采和使用量，達到具有節約資源能源和降低碳排放的綜合效應，因此在建筑建材領域的應用占比越來越高。鋼管混凝土具有強度高，塑性、韌性好，承載能力強性能，在鋼管中填充煤矸石混凝土替代普通混凝土，從含鋼率、軸壓比、截面尺寸等不同參數開展方鋼管煤矸石混凝土梁柱節點受雙向彎矩循環荷載作用下的性能研究的抗震性能分析，同時更進一步考慮焊縫強度的影響，更能反映方鋼管煤矸石混凝土結構在遇到地震荷載時梁柱節點的受力能力變化，在方鋼管煤矸石混凝土的抗震應用具有重要意義。

1 材料參數與構件尺寸

1.1 鋼材的本構關系模型

依據鋼材在往復循環荷載作用下的特點，本文選取雙線性模型建立方鋼管煤矸石混凝土的鋼材骨架線，即彈性段和強化段，來模擬鋼材的彈塑性階段。在雙線性模型中，彈性段采用初始彈性模量E，強化段彈性模量為0.01E。本文對鋼材、焊縫采用多線性隨動強化本構模型，以考慮在循環荷載作用下鋼材的Bauschinger效應。

1.2 核心煤矸石混凝土的本構關系

鋼管對核心煤矸石混凝土有約束作用，屬于三向受壓狀態。由于關于鋼管混凝土的滯問性能的研究較少，同時，對其核心應力應變滯回本構曲線的研究仍然處于空白，本文采用鋼管輕集料混凝土中核心輕集料混凝土的本構關系模型對鋼管煤矸石混凝土柱煤矸石混凝土梁進行研究。同時，還要考慮煤矸石混凝土在由荷載方向改變時形成的剛度退化以及裂面咬合效應等因素，本文則通過定義ABAQUS中的混凝土塑性損傷（Concrete Plastic Damage）模型來模擬。

《輕骨料混凝土結構技術規程》中規定了輕集料混凝土受壓時的應力應變本構關系曲線按以下公式取用：

當ε0＜ε≤εcu時，σc=fc

1.3 構件尺寸

試件鋼管采用Q235鋼材，fy=235N/mm2，Es=2.1×105，泊松比取0.3。鋼管內填充C30煤矸石混凝土，其中煤矸石摻量為15%，水膠比為0.3，砂率為45%。考慮到地震作用時梁和柱反彎點位置分別位于柱中點和梁跨中點，進行有限元分析的試件中梁取半跨，懸臂梁端至柱中心取1.15m，上下柱各取層高的一半，柱高取3.3m，具體試件尺寸參數見表1和圖1。

表1 試件尺寸參數

為了研究焊縫屈服強度受雙向彎矩在循環荷載作用下對節點性能的影響，設計了GCS系列試件，梁柱連接焊縫取不同的值，其余參數保持不變，共有3個試件，各試件的焊縫屈服強度見表2。

表2 GCS系列試件對接焊縫屈服強度

2 有限元模型的建立

2.1 單元類型選取

本文采用S4R殼單元模擬鋼管和鋼梁，因為與長度相比，結構的寬度相對較小，采用這種結構模型可以極大降低計算繁雜度，提高模擬速度，可以較好地模擬出材料的塑性性能與材料受力后的應力等多種特征。采用C3D8R單元模擬方鋼管柱內的煤矸石混凝土，此單元為8個節點的線性實體，縮減積分，同時考慮沙漏控制，而且可以輸入混凝土壓縮與拉伸損傷的功能選項，可以更好地反映鋼管混凝土在受復雜荷載作用時的應力-應變損傷情況。蓋板尺寸為400×400×25，相對構件來說剛度要大很多，采用8個節點六面體線性縮減積分單元模擬，其彈性模量取為1×1012MPa，泊松比取為0.0001。

2.2 界面模型設定

模擬鋼管與煤矸石核心混凝土的界面模型處理至關重要，鋼管與煤矸石法線方向采用硬接觸，可以通過界面法向的接觸單元傳遞壓力，切線方向采用粘結滑移，即庫侖摩擦模型。除此之外，還有鋼梁和加載板、蓋板與混凝土、鋼管與蓋板之間的接觸。

2.3 邊界條件設定及加載方式

本文中邊界條件：由于鋼管柱長徑比為5，所以假設不考慮失穩效應。鋼管柱頂端、底端均按支座鉸接模擬，鋼梁遠離節點區的兩側、兩端中心點上約束其豎向位移來模擬兩端與剛性支桿的鉸接，加載方案如圖1所示，先在柱頂施加軸力當施加至預定軸力穩定后在梁端施加對稱集中力。

首先，根據軸壓比的大小，在柱頂端施加軸向荷載加至軸力穩定。第二，在保證軸壓比不變的條件下，在梁端施加低周往復荷載。梁端施加的豎向位移按△y/2、△y、2△y、3△y、4△y…的位移控制加載方式進行，每級位移循環一次，直至試件破壞。

2.4 破壞準則的確定

為了模擬煤矸石的延性破壞，在有限元的材料模型中采用下降的應力-應變曲線。在外荷載作用下，若構件的某一截面的單元應力同時達到下降段，截面形成塑性鉸，這時構件整體剛度矩陣為負，程序在求解有限元方程時就會出錯，表明構件破壞，求解過程結束，具體表現為輸出結果中荷載-位移曲線出現下降段。

3 有限元結果分析

3.1 受力性能分析

梁柱節點對接焊縫取不同的設計強度，用以研究在雙向彎矩作用下焊縫屈服強度對節點性能的影響。從單調荷載下的變形曲線如圖2可以看出，GCS系列試件的荷載-位移曲線彈性階段基本重合，各個試件的變形能力有所不同，焊縫屈服強度比較高的試件其延性比較好，但當焊縫屈服強度高到一定值后，焊縫屈服強度提高和試件的延性增加不明顯。

3.2 骨架曲線對比分析

骨架曲線是將P－△滯回曲線中加載級的第一循環峰值點所連成的，即滯回曲線的包絡線。它能夠更直觀地反映結構的強度、變形等性能。圖3為GSC試件在循環荷載作用下的骨架曲線和割線剛度退化曲線。從圖可以看出，骨架曲線沒有出現明顯的下降段；從結構的彈性剛度方面看，GSC1試件的彈性剛度為4.554kN/mm，隨著焊縫屈服強度的增大，節點的彈性剛度逐漸減小，GSC3試件的彈性剛度為4.31kN/mm；GSC1試件的彈性剛度與GSC3相比增大幅度超過了106%。另外從圖中還可以看出，BASE試件和GSC3試件割線剛度退化速度較為一致，而GSC1試件剛度退化速度較其它兩個試件快。

3.3 焊縫強度的影響

從滯回曲線、剛度退化等結果可知對接焊縫的強度對連接的整體強度、剛度和延性的影響不很顯著，為了能更詳細地分析焊縫屈服強度的變化對焊縫受力性能的影響，文中主要分析沿梁翼緣長度方向焊縫正應力、剪應力、Y方向應力和Z方向應力的分布情況，如圖4為STRW系列試件梁翼緣對接焊縫的應力分布圖，從圖上清楚地可以看到，對接焊縫的彎曲正應力在靠近梁翼緣邊緣處隨焊縫強度的提高彎曲正應力增大，靠近梁中間焊縫強度的提高而彎曲正應力變化不大；Y方向應力分布則是越靠近梁中間應力變化越明顯，隨焊縫強度的提高Y方向的應力在不斷地減小，而在靠近梁翼緣處Y方向的應力值基本不變；Z方向應力的變化也同樣是在中間變化顯著，只是隨焊縫強度的提高而變大，在兩端曲線基本重合。提高焊縫屈服強度雖然可以改善焊縫的三項應力狀態及降低焊縫的剪應力比例，但幅度很有限。

4 結論

①本文采用的有限元梁柱節點模型可較好地應用于節點設計，滿足“強柱弱梁”設計要求。②本文所研究的方鋼管煤矸石混凝土梁柱節點能夠完成豎向位移的循環，破壞前強度和剛度也沒有明顯降低，滯回性能穩定，具有良好的耗能性和延性。③對與不同對接焊縫屈服強度進行有限元分析，對接焊縫的強度對連接的整體強度、剛度和延性的影響不很顯著，構件軸壓比越大，焊縫強度強度高的，結構延性好，剛度退化慢，承載力高。