方鋼管混凝土柱-鋼梁框架抗震性能研究

摘" 要：該文通過ABAQUS有限元軟件對單層單跨的方鋼管混凝土柱-H型鋼梁框架進行有限元模擬計算。按1∶4縮尺建立框架模型，施加低周往復荷載作用，分析框架的受力過程；改變節點形式，分析不同節點剛性框架的破壞形式、滯回曲線和骨架曲線。結果表明，使用新節點的鋼管混凝土框架具有較好抗震性能；與剛性連接的框架相比，框架能夠有效保證節點域安全可靠，充分發揮梁的耗能能力。

關鍵詞：方鋼管混凝土柱；H型鋼梁；框架；數值模擬；抗震性能

中圖分類號：TU398.9" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）28-00９６-0４

Abstract： In this paper， the finite element simulation of single-story single-span concrete-filled square steel tubular column-H-shaped steel beam frame is carried out by ABAQUS finite element software. The frame model is established according to 1：4 scale， low cyclic load is applied to analyze the stress process of the frame， and the failure forms， hysteretic curves and skeleton curves of rigid frames with different joints are analyzed by changing the joint form. the results show that the concrete-filled steel tubular frame with new joints has better seismic performance， and compared with the frame with rigid connections， the frame can effectively ensure the safety and reliability of the joint domain and give full play to the energy dissipation capacity of beams.

Keywords： concrete-filled square steel tubular column; H-shaped steel beam; frame; numerical simulation; seismic performance

隨著社會的快速發展，傳統連接形式框架被逐漸淘汰，裝配式建筑已成為未來中國建筑業的主要發展方向。與傳統框架相比，裝配式框架具有施工時間短、質量高、安全、環保和節能等優點。

國內外學者對鋼管混凝土柱-鋼梁框架進行了一些試驗和理論研究，李仁慶[1]對新型半剛性連接框架進行擬靜力試驗和模擬計算，分析不通過參數下框架的抗震性能，給出新型框架的合理層高和跨長；王靜峰等[2]對端板連接的鋼管混凝土柱鋼梁框架進行水平低周反復荷載試驗，對比分析不同截面的鋼管混凝土框架，得出圓鋼管混凝土組合框架的耗能能力和延性好于方鋼管混凝土組合框架，但承載能力沒有方鋼管混凝土組合框架高；王文達等[3]研究了圓形及方形鋼管混凝土柱-鋼梁框架的力學性能和使用計算方法，在以往理論的基礎上，提出了關于鋼管混凝土框架荷載-側移實用恢復力模型和位移延性系數的簡化計算方法；趙均海等[4]分別對裝配式復式鋼管混凝土框架結構和傳統連接復式鋼管混凝土框架進行試驗研究，結果表明：兩種框架均具有較好的抗震性能，提出的新型梁柱節點能夠提高框架的延性。

1" 試件設計概況

1.1" 框架尺寸

依據實際工程，選擇高1.2 m，跨長1.5 m的縮尺模型為框架模型如圖1所示。鋼管混凝土柱截面的選取，按實際工程鋼管混凝土柱截面面積的1/4選150 mm×150 mm×5 mm。鋼梁的設計首先保證其截面滿足整體穩定和局部穩定的構造要求，再依據試件設計參數所要求的梁柱線剛度比初選截面，根據強柱弱梁的要求驗算選定梁截面尺寸是否需要調整。最后根據GB 50936—2014《鋼管混凝土結構技術標準》[5]、GB 50017—2017《鋼結構設計標準》[6]、GB 50011—2010《建筑抗震設計規范（2016版）》[7]對其進行強剪弱彎、強節點弱構件的驗算，使其滿足抗震設計要求。

1.2" 節點設計

國外學者[8]提出了一種新型鋼管混凝土柱-鋼梁的全螺栓連接節點，在梁翼緣放置槽鋼連接件，梁與柱的連接通過側板與柱以及側板與槽鋼連接件來完成，連接全部使用螺栓，節點形式如圖2所示。考慮到鋼管柱要澆灌混凝土，將與柱螺栓連接的側板改為焊接，在梁腹板上增加豎板抵抗剪力。節點形式如圖3所示。

2" 框架有限元分析

2.1" 本構模型

模型中鋼材均采用Q235鋼，鋼材本構模型采用考慮鋼材強化和下降段的二次塑流模型，泊松比取0.3；高強螺栓采用應力應變三折線模型，不考慮下降段；模型采用ABAQUS中自帶的混凝士本構關系-塑性損傷模型來定義混凝土的材料參數。塑性損傷模型主要是用來分析混凝土結構在循環和動力荷載作用下的一個普遍分析模型，適用于混凝土構件的軸壓模擬和滯回模擬。并根據GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》[9]中所給的混凝土單軸拉、壓應力-應變函數關系定義。首先需要用各向同性的線彈性模型來定義混凝土的彈性屬性，彈性模量E=34 020 Pa，密度σ=2 420 kg/m2，泊松比取0.2。其次用各項同性的壓縮塑性來定義混凝土的塑性行為，注意這里的塑性曲線是壓應力對應的塑性應變的曲線，這樣定義的材料的塑性硬化行為就是線性硬化。混凝土塑性損傷模型參數見表1。

2.2" 模型建立

方鋼管混凝土柱-鋼梁框架中的方鋼管和核心混凝土、H型鋼梁、螺栓、側板、槽鋼連接件、豎板，均選用C3D8R（八節點六面體線性減縮積分三維實體單元）。網格劃分采用結構化的網格和少量的掃掠網格結合[10]。模型主要采用面與面接觸模擬鋼材與鋼材、鋼材與混凝土之間的接觸，其中需要焊接的部位采用綁定約束。模型的柱腳采用固接，模型共設置3個分析步：第一步施加高強螺栓預緊力、第二步施加柱頂軸向力、第三步施加水平荷載。

2.3" 受力全過程分析

加載初期，框架應力無變化，框架處于彈性階段。加載到15 mm時，梁端和柱腳開始屈服，出現塑性鉸，此時可以明顯看出梁端和柱腳的應力變化，較大應力皆出現在梁端和柱腳。節點的槽型連接件在遠離鋼管混凝土柱的一側應力較大，側板則在鋼管混凝土柱和鋼梁連接處的應力較大，可以看出側板此處的截面為薄弱截面，框架極有可能在此處發生破壞；加載到40 mm時，此時框架的應力云圖如圖4所示，可以明顯地看出在梁端和柱腳的應力大于其他部位，加載結束。節點域側板、槽鋼連接件和高強度螺栓在極限載荷下，均處于彈性階段，節點核心區域安全可靠。圖5、圖6分別是梁翼緣上螺栓在屈服階段和加載終止時的應力云圖，螺栓預緊力的施加是分步進行的，首先施加一小部分預緊力，隨后施加完整的預緊力。在受力過程中，側板上螺栓應力變化不大，螺栓具有較好的連接性；梁翼緣上的螺栓與槽鋼連接件的受力相對應，最外排螺栓隨著荷載的施加應力逐漸增大，其他地方應力變化不明顯。

2.4" 節點彎矩-轉角曲線

在低周往復荷載作用下的彎矩-轉角曲線中，彎矩M為梁端彎矩，轉角θ為梁角與柱轉角的差值。彎矩-轉角曲線如圖7所示。

按照歐洲規范EC3的評價方法，對框架剛性進行分類評價。以轉動剛度為標準：①鉸接時，初始轉動剛度與抗彎剛度除以跨度的比值小于等于5；②剛接對無側移框架初始轉動剛度與抗彎剛度除以跨度的比值大于等于8，對有側移框架初始轉動剛度與抗彎剛度除以跨度的比值大于等于25。半剛性連接位于兩者之間。由表2可知，基準框架初始轉動剛度與抗彎剛度除以跨度的比值等于15.92，屬于半剛性框架。

3" 節點剛性對框架影響

基于前一章，對框架剛性進行計算，分析不同節點剛度對框架的影響，在半剛性框架的基礎上改變節點參數，螺栓連接改為焊接，即將節點連接形式改為剛性連接，剛性框架的各部件尺寸、梁柱截面均與半剛性框架保持一致，邊界條件、荷載約束以及加載方案與基準模型相同。

3.1" 破壞形態對比

圖8為剛性框架的應力云圖，從圖4、圖8可看出2種框架的破壞模式有所不同，剛性框架的應力主要集中出現在梁柱連接處，剛性框架鋼管混凝土柱的破壞較為嚴重，梁翼緣和腹板的應力變化較大；采用螺栓連接的本文框架，應力變化主要出現在槽型連接件以外的梁端和柱腳，梁腹板應力變化較小且梁上應力分布呈現中心對稱，充分發揮梁的耗能能力。

3.2" 荷載位移曲線對比

圖9、圖10、圖11分別是不同節點形式框架的滯回曲線和骨架曲線對比，從圖中可以看出，剛性框架的滯回環相較于半剛性框架較為飽滿，但半剛性框架的初始剛度比剛性框架提高了10%，半剛性框架開始形成明顯滯回環的位移比剛性框架高60%。從骨架曲線可以看出半剛性框架極限承載能力高于剛性框架，極限承載力達到了剛性框架的2.31倍。

4" 結束語

采用新節點的半剛性框架在低周往復荷載作用時，塑性鉸出現在槽型連接件以外的梁端和柱腳，節點安全可靠，框架具有較好的抗震性能；將半剛性框架和剛性連接框架的應力云圖和抗震性能進行了對比分析，剛性框架在梁柱連接部位出現了應力集中現象，梁翼緣和腹板以及柱翼緣的變形較大。半剛性框架通過螺栓將梁柱連接，有效地將塑性鉸位移，節點各部件均處于彈性階段，節點可靠。雖然剛性連接框架的滯回曲線較為飽滿，但半剛性框架的極限承載力明顯增大。

參考文獻：

[1] 李仁慶．新型方鋼管柱-H型鋼梁半剛性連接鋼框架抗震性能研究[D]．徐州：中國礦業大學，2019．

[2] 王靜峰，王海濤，王冬花，等.鋼管混凝土柱-鋼梁單邊高強螺栓端板連接框架的擬靜力試驗研究[J].土木工程學報，2017，50（4）：13-20，31.

[3] 王文達，韓林海，陶忠.鋼管混凝土柱-鋼梁平面框架抗震性能的試驗研究[J].建筑結構學報，2006（3）：48-58.

[4] 趙均海，胡壹，張冬芳，等．裝配式復式鋼管混凝土柱-鋼梁框架抗震性能試驗研究[J]．建筑結構學報，2020，41（8）：88-96．

[5] 鋼管混凝土結構技術規范：GB 50936—2014[S].北京：中國建筑工業出版社，2014.

[6] 鋼結構設計標準：GB 50017—2017[S].北京：中國建筑工業出版社，2017.

[7] 建筑抗震設計規范（2016年版）：GB 50011—2010[S].北京：中國建筑工業出版社，2016.

[8] LEE J， FENVES G L. Plastic-damage model for cyclic" loading of concrete structures[J].Journal of Engineering Mechanics，1998，124（8）：892-900.

[9] 混凝土結構設計規范：GB 50010—2010[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[10] 曹金鳳，石亦平．ABAQUS有限元分析常見問題與解答[M]．北京：機械工業出版社，2009．