方鋼管混凝土柱-H形鋼梁槽鋼栓接節點抗震性能有限元分析

摘" 要：提出一種方鋼管混凝土柱-H形鋼梁槽鋼栓接節點，建立節點的ABAQUS有限元模型，對模型進行低周往復加載，分析側板和槽鋼厚度、側板高度變化對節點抗震性能和轉動剛度的影響。對節點的承載力、滯回曲線、骨架曲線、剛度退化曲線以及節點彎矩-轉曲線等參數進行對比分析。結果表明，節點具有良好的承載力和耗能能力，增加側板和槽鋼厚度能使滯回曲線變得更加飽滿，節點的承載力、割線剛度均有較大的提升；側板高度增加對節點抗震性能的影響較小；增加側板和槽鋼厚度能明顯提高節點剛度，側板高度增加對節點剛度的提高較小。

關鍵詞：方鋼管混凝土柱；栓接節點；抗震性能；節點剛度；有限元分析

中圖分類號：TU398.9" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）28-00５９-0４

Abstract： A kind of channel steel bolted joint between concrete-filled square steel tube column and H-shaped steel beam is proposed， and the ABAQUS finite element model of the joint is established. The low-cycle reciprocating loading of the model is carried out. The effects of side plate thickness and channel steel thickness and side plate height on the seismic performance and rotational stiffness of the joints are analyzed. The bearing capacity， hysteretic curve， skeleton curve， stiffness degradation curve and moment-rotation curve of joints are compared and analyzed. The results show that the joint has good bearing capacity and energy dissipation capacity， and the hysteretic curve becomes fuller with the increase of the thickness of side plate and channel steel， and the bearing capacity and Secant stiffness of the joint are greatly improved. The increase of side plate height has little effect on the seismic performance of joints; increasing the thickness of side plate and channel steel can obviously improve the joint stiffness， while the increase of side plate height has little effect on the joint stiffness.

Keywords： concrete-filled square steel tubular columns; bolted joints; seismic performance; joint stiffness; finite element analysis

鋼管混凝土結構將混凝土澆筑在鋼管內，在一定軸壓下鋼管對混凝土產生約束進而提高混凝土的強度，改善混凝土脆性?；炷烈材苎泳徎虮苊怃摴馨l生屈曲。在工程實踐中通常采用鋼管混凝土柱和鋼梁的結構體系。鋼梁-鋼管混凝土柱節點是結構體系中的關鍵部分[1-2]。

早期的鋼管混凝土柱-鋼梁連接節點主要采用焊接連接或栓焊混合連接的剛性節點。剛性節點轉動能力和延性較差，易發生脆性破壞，因此有學者開始探索采用全螺栓節點代替剛性節點。李自林等[3]對隔板貫通式全螺栓連接節點的抗震性能進行了研究，研究結果表明，整體式隔板耗能能力強，在梁柱線剛度比較小時，適當增加梁高能提高節點的承載力。劉學春等[4]提出了法蘭連接L形鋼管混凝土柱與H型鋼梁全螺栓連接節點。結果表明，采用不同連接件的節點均在拼接區外梁截面形成塑性鉸，節點均有足夠的剛度、承載力和良好的滯回性能。節點滑移后栓桿與孔壁擠壓傳力能夠提高節點承載力。葉全喜等[5]提出了穿心板式鋼管混凝土柱-鋼梁栓接節點。研究表明，穿心板式栓接節點具有良好的剛度、延性、滯回性能及耗能能力。鄧芃等[6]通過擬靜力試驗，研究了方鋼管混凝土柱與鋼梁內隔板式全螺栓連接節點的抗震性能。全螺栓連接節點與栓焊混合連接節點相比實現了塑性鉸外移，試件延性好于栓焊混合節點，節點具備較穩定的耗能能力。王培成等[7]對2種不同構造的隔板貫通式邊節點試件進行了擬靜力試驗，試驗結果表明兩種連接形式的抗震性能相當。試件的螺栓孔均為大圓孔，滑移荷載較低，極限荷載為滑移荷載的4倍左右。說明該種節點在螺栓滑移后仍具有較強的承載能力。本文提出了一種方鋼管混凝土柱-H形鋼梁槽鋼栓接節點，建立了ABAQUS有限元數值模型，分析了參數變化對節點抗震性能的影響。

1" 節點模型及尺寸

方鋼管混凝土柱-H形鋼梁槽鋼栓接節點，預先將側板和剪切板焊接至鋼管柱上。施工現場采用高強螺栓將槽鋼、側板和鋼梁連接。其中，側板與槽鋼翼緣螺栓連接，鋼梁翼緣與槽鋼腹板螺栓連接。通過剪切板采用高強螺栓將鋼梁腹板與柱連接。

方鋼管混凝土柱-H形鋼梁槽鋼栓接節點JDS-BASE試件，梁截面尺寸為250 mm×150 mm×6 mm×8 mm，加載點至柱表面處距離為1 300 mm，鋼梁與柱表面有10 mm的安裝間隙。側板尺寸為330 mm×80 mm×10 mm。槽鋼厚度為10 mm，翼緣寬度80 mm，槽鋼腹板高180 mm，長230 mm。剪切板尺寸為180 mm×100 mm×8 mm。側板與槽鋼翼緣，槽鋼腹板與鋼梁上下翼緣之間均采用6個10.9S/M16螺栓連接。剪切板與梁腹板連接采用3個10.9S/M16螺栓，如圖1所示。

在JDS-BASE試件的基礎上變化槽鋼和側板厚度和側板高度設置JDS-1試件和JDS-2試件，變化參數見表1。

2" 有限元參數設置

節點試件有限元模型如圖2所示。所有網格均選用C3D8R。螺栓建模忽略螺紋和墊片，簡化為啞鈴狀，5 mm網格劃分。側板、槽鋼和剪切板10 mm網格劃分。鋼管網格尺寸分為加密區和非加密區，其中加密區20 mm網格劃分，非加密區40 mm?；炷辆W格尺寸均為40 mm。梁上網格劃分也分為加密區與分加密區，加密區15 mm網格劃分，非加密區40 mm。

鋼材采用Q235B，鋼材本構模型采用兩折線的隨動強化模型，屈服強度取235 MPa，極限強度取420 MPa，彈性模量Es=2.06×105 MPa，鋼材強化階段彈性模量取0.01Es。高強螺栓本構模型為各向同性的兩折線模型?；炷翉姸葹镃40，混凝土受壓本構采用考慮約束效應的核心混凝土的本構模型[8]，考慮混凝土損傷指數[2]。

鋼與混凝土界面摩擦系數取0.6。焊接處采用綁定接觸，為模擬角焊縫，接觸方式為面與點集。摩擦接觸設置：螺帽與板件、各板件之間，法向接觸設置為硬接觸，切向接觸設置為摩擦接觸，摩擦系數為0.3；螺栓孔與螺桿之間僅設置法向硬接觸。

柱兩端建立控制點，控制鋼管和混凝土截面，控制點施加約束控制柱端為鉸接約束，柱上軸壓比為0.3；在梁加載端截面建立控制點，施加低周往復位移。低周往復位移以層間位移角作為控制參數并進行分級加載，即層間位移角以0.003 75、0.005、0.007 5、0.01、0.015 rad遞增，此后位移增量為0.01 rad，直到試件達到破壞狀態。加載點距柱軸線的距離為1 400 mm，換算為加載端位移，有限元分析中加載次數對結果影響較小，每級加載一次。

3" 有限元模擬結果分析

3.1" 滯回曲線

如圖3所示：①各試件滯回曲線總體呈現為“Z”形，正負向對稱。滯回曲線中部的波紋狀曲線對應了節點兩次滑移和兩次螺栓承壓傳力承載力提高。②與試件的4個受力階段相對應，滯回曲線在每個階段的特征變形為：彈性階段，滯回環為斜線，線性變化；梁翼緣-槽鋼腹板滑移階段為一次滑移階段，因為梁翼緣-槽鋼腹板螺栓承壓傳力，承載力提高幅度較小，將該階段歸于一次滑移階段，在該階段，加載端位移增加但試件承載力變化較小，滯回環表現為平行四邊形；③槽鋼翼緣-側板發生滑移為二次滑移階段，這一階段滯回環為 “Z”形；槽鋼翼緣-側板發生滑移后螺栓與孔壁承壓傳力，承載力增加，滯回環表現為中部階梯上升的“Z”形。③如圖3（a）所示，側板和槽鋼厚度增加，滯回曲線更為飽滿，JDS-1試件滯回曲線完全包裹JDS-BASE試件的滯回曲線。如圖3（b）所示，側板高度增加試件滯回曲線僅中部更為飽滿。

3.2" 骨架曲線

如圖4所示，各試件骨架曲線大致分為4段：①彈性階段，骨架曲線為斜線，斜率變化較?。虎谝淮位齐A段，骨架曲線第一次出現水平段；③第二次滑移發生階段，加載端位移較大，發生螺栓承壓傳力，故骨架曲線中二次滑移段不是絕對的水平段；④強化階段，強化階段骨架曲線為緩慢上升的曲線。如圖4（a）所示，試件側板和槽鋼厚度增加，各級加載時的荷載均大于JDS-BASE試件。如圖4（b）所示，增加側板高度，對試件骨架曲線的影響較小，試件骨架曲線重合度較高。

由表2可知，JDS-1試件較JDS-BASE試件正、負向一次滑移荷載分別增加了4%和3.9%，JDS-2試件正、負向一次滑移荷載較JDS-1試件分別增加了0.2%和0.5%。JDS-1試件正、負向二次滑移荷載較JDS-BASE試件分別增加了6.6%和8.8%，JDS-2試件正、負向二次滑移荷載較JDS-1試件分別增加了2.9%和0.7%。JDS-1試件正、負向極限荷載較JDS-BASE試件分別增加了5.8%和5.9%，JDS-2試件正、負向極限荷載較JDS-1試件均增加了1.1%。側板厚度和槽鋼厚度增加，增加了剛度，提高了節點承載力。側板高度增加，對試件承載力的影響相對較小。各試件的等效黏滯阻尼系數在0.3左右，試件均具有良好的耗能能力。

3.3" 剛度退化曲線

如圖5所示，各試件的割線剛度退化曲線大致分為3個階段，1～2級加載時試件處于彈性階段，剛度退化幅度較小，2級加載時試件割線剛度約為初始割線剛度的96%；3～5級加載時，由于螺栓滑移以及節點區某些薄弱部位開始進入塑性階段，試件剛度退化的速率增加；6～11級加載時因為螺栓承壓傳力和鋼梁的塑性變形試件承載力增加，剛度退化速率減緩。11級加載時割線剛度約為初始割線剛度的15%。

側板和槽鋼厚度和側板高度變化對試件的剛度退化趨勢沒有影響。JDS-1試件初始割線剛度較JDS-BASE試件增加了7%。增加側板厚度和槽鋼厚度，增加了試件的割線剛度，隨著加載的進行，割線剛度差別減小。JDS-2試件較JDS-1試件初始割線剛度增加了4.9%，試件發生滑移后割線剛度相差較小。增加側板高度僅能增加試件的初始割線剛度，對滑移后試件割線剛度的影響較小。

3.4" 節點彎矩-轉角曲線

如圖6所示，各節點的彎矩-轉角曲線主要分為3段：彈性段、滑移段和強化段。①彈性階段彎矩-轉角曲線為斜直線；②滑移段，彎矩-轉角曲線大至呈現為水平直線；③強化段，為緩慢上升的曲線。增加側板厚度和槽鋼厚度能明顯增加試件的轉動剛度，減小試件破壞時的梁柱相對轉角。增加側板高度，節點的轉動剛度在試件加載過程中均有小幅度提高。

表3中，JDS-1節點的初始轉動剛度較JDS-BASE節點增加了14%，節點極限彎矩對應的轉動剛度JDS-1節點較JDS-BASE節點增加了19.8%。JDS-2節點的初始轉動剛度較JDS-1節點的增加了7.2%，節點極限彎矩對應的轉動剛度，JDS-2節點較JDS-1節點增加了5.6%。各節點均為半剛性連接節點。

4" 結論

1）節點具有較高的承載力，節點滑移后承載力仍繼續增加。節點試件的滯回曲線飽滿，各試件的等效黏滯阻尼系數在0.3左右，節點具有良好的耗能能力。

2）增加側板和槽鋼的厚度能明顯提高節點的承載力、割線剛度。在側板和槽鋼厚度增加后，增加側板高度對節點抗震性能的影響較小。

3）增加側板和槽鋼厚度增加能明顯提高節點剛度，減小試件破壞時的梁柱相對轉角，側板高度增加對節點剛度的提高較小。

參考文獻：

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