王 姍 秦明珍

內(nèi)蒙古科技大學建筑與土木工程學院

部分包裹混凝土柱與鋼梁節(jié)點的抗震性能

王 姍 秦明珍

內(nèi)蒙古科技大學建筑與土木工程學院

隨著新型建筑結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展與研究，部分包裹混凝土柱（Partially Encased Concrete）以高承載力、中耐火性能的優(yōu)越特點在建筑工程中被廣泛使用。在某油田儲油庫的建造過程中，截取4組部分包裹混凝土柱與鋼梁外伸端板連接點作為試件，通過試驗研究試件的結(jié)構(gòu)強度及抗震性能。通過有限元分析可以看出，端板是耗散地震能量的主要部位，增大端板厚度可以有效增加節(jié)點承載力；背墊板能夠明顯改善結(jié)構(gòu)的各類性能，設置背墊板等支撐可以明顯提高節(jié)點性能，是改善節(jié)點剛度的有效措施。

儲油庫；部分包裹混凝土柱；節(jié)點；加載；抗震性能

隨著新型建筑結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展與研究，部分包裹混凝土柱（Partially Encased Concrete，簡稱PEC）以高承載力、中耐火性能的優(yōu)越特點在建筑工程中被廣泛使用。這是一種集鋼結(jié)構(gòu)和混凝土優(yōu)良性質(zhì)的組合結(jié)構(gòu)，對該種新型結(jié)構(gòu)柱已做過相關研究[1]，并得出考慮了含鋼率、軸壓比、剪跨比等對設計參數(shù)的影響：含鋼率提高，構(gòu)件變形能力提高；軸壓力增大，柱的變形能力降低；剪跨比影響曲線形狀。節(jié)點作為傳遞彎矩、剪力、軸力的重要部分，是結(jié)構(gòu)設計控制的重點。

歐洲規(guī)范中按框架的轉(zhuǎn)動剛度和有無側(cè)移將節(jié)點分為剛性節(jié)點、半剛性節(jié)點和柔性節(jié)點。而半剛性節(jié)點的協(xié)調(diào)關系最為優(yōu)越，既融合了剛性和柔性節(jié)點的優(yōu)點，又使結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定和耗能較低。這種優(yōu)越的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，對于提高儲油庫的安全、抗震和防火性能具有重要意義。

1 試驗概況

在某油田儲油庫的建造過程中，截取4組部分包裹混凝土柱與鋼梁外伸端板連接點作為試件，通過試驗研究試件的結(jié)構(gòu)強度及抗震性能。

1.1 試件設計

根據(jù)節(jié)點形式設計了4組試驗，編號為JD—1～JD—4。所有均為Q235—B鋼材，試件梁長均為1 100mm，截面為I20 a。柱子采用部分包裹混凝土組合柱，且上下貫通，高度為1 800mm。梁和柱采用高強螺栓通過外伸端板連接，端板和鋼梁之間采用雙面角焊縫連接。柱翼緣采用系桿將兩側(cè)拉結(jié)，這樣不僅能保證柱翼緣和混凝土有效拉結(jié)，還能抵御一部分外荷載，起到雙重保險作用。翼緣兩側(cè)填充C30混凝土即可。

1.2 加載裝置及位移控制

采用拉壓千斤頂和電業(yè)伺服作動器加載，柱水平放置于地上，柱端用水平限位梁限制其位移；拉壓千斤頂一端與反力墻連結(jié)，另一端同鋼梁鉸接，在梁端施加軸向荷載。試驗加載制度采用荷載—位移雙控制[2]的方法。試件屈服前應采用荷載控制并分級加載，逐級遞增，4個試件的加載步長均取極限荷載的10%（大約6 kN），每級循環(huán)2次；當試件屈服后，由于力很難繼續(xù)保持穩(wěn)定在一個數(shù)值上，改用位移控制模式。

位移控制同樣也采用分級加載的方式，加載步長取試件屈服時最大位移值的0.25倍（大約6mm），每級循環(huán)3次。

1.3 測量內(nèi)容以及測點布置

試驗測量的主要參數(shù)為梁端施加荷載、梁端部位移大小和節(jié)點區(qū)域應變數(shù)據(jù)。

荷載可以通過壓力傳感器進行測量；梁端位移、梁中部位移、端板位移采用位移計測量；節(jié)點區(qū)域應變數(shù)據(jù)可以通過電阻式應變片和自動采集系統(tǒng)進行統(tǒng)計。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗現(xiàn)象

JD—1試件：在加載到42 kN拉第1次時，翼緣處的柱內(nèi)橫向系桿屈服，柱內(nèi)對應梁翼緣混凝土出現(xiàn)豎向裂縫。繼續(xù)加載至54 kN時梁達到屈服。此后由位移控制，當加載到0.5Δy時柱翼緣屈服；繼續(xù)加載柱翼緣與混凝土裂縫增大，繼續(xù)加載至2.25Δy端板拉裂，混凝土被壓碎。

JD—2試件：在加載到48 kN時橫向系桿屈服，繼續(xù)加載至54 kN梁進入屈服階段。此后用位移控制，達到1Δy時，端板屈服，柱翼緣與混凝土有微小裂縫，并逐漸延伸；達到1.75Δy時，梁翼緣出現(xiàn)鼓曲，端板焊縫出現(xiàn)微小裂縫并擴展；達到2.5Δy時，端板被拉裂，混凝土被壓碎，螺栓孔有較大變形。

JD—3試件：在加載到48 kN時橫向系桿達到屈服，達到54 kN時梁達到屈服狀態(tài)。此后用位移控制，達到1.5Δy時，端板鼓曲變形；達到2.25 Δy時，混凝土與柱翼緣縫隙繼續(xù)擴展，端板裂縫也繼續(xù)開展；達到2.5Δy時，端板變形過大。

JD—4試件：這是4個試件中最強的試件，其承載力、變形能力、延性、剛度、耗能能力都達到最佳狀態(tài)。加載至60 kN時橫向系桿屈服，加載至66 kN時，端板達到屈服應變，但各處變形不明顯，原因是背墊板增加了節(jié)點的剛度，加強了該處的強度。加載至0.5Δy時，梁下翼緣屈服，混凝土和柱翼緣之間的裂縫擴展；加載至1.25Δy時荷載下降，這是由于端板與梁焊接處形成了裂縫；加載到2Δy時，焊縫上的裂縫基本貫通，試驗停止。

2.2 滯回曲線

滯回曲線是反應結(jié)構(gòu)抗震性能優(yōu)劣的簡單客觀圖形。由各試件滯回曲線可見，試件在加載初期，殘余變形較小，為彈性階段[3]；在進入位移控制加載階段后，各個試件存在著此消彼長的狀態(tài)。

（1）各個圖形的承載力不一樣，JD—4由于背墊板和豎向加勁肋的作用，其承載力最好。

（2）各個試件的滯回曲線較為飽滿，呈現(xiàn)出良好的抗震性能，說明部分包裹混凝土柱和鋼梁外伸端板連接節(jié)點是一種良好的半剛性節(jié)點。

（3）隨著端板厚度的增加，曲線所圍面積越多，節(jié)點的耗能性能越好。這是由于端板越厚，耗散地震能量的能力越大。其極限荷載由52.38 kN提高到了79.24 kN，說明端板厚度的增加對試件抗震性能及變形能力有明顯改善。

3 有限元分析

3.1 模型建立

采用ABAQUS建立4組試件的有限元分析模型，采用與試驗相同的試件尺寸。本文中型鋼梁采用四節(jié)點減縮積分格式的殼單元（S4R），其他組件采用八節(jié)點一階線性減縮積分格式的三維實體單元（C3D8R）。有限元分析模型見圖1。鋼材本構(gòu)關系采用四階段模型[4]；混凝土材料本構(gòu)關系為普通的應力應變關系；螺栓的本構(gòu)關系則采用兩階段模型，強化段的模量可取值為0.01 Es。

圖1 有限元模型

3.2 試驗結(jié)果與計算結(jié)果對比

選取部分包裹混凝土柱與鋼梁外伸端板連接節(jié)點滯回性能中的骨架曲線進行對比。由對比結(jié)果可以看出，在兩個加載作用下，有限元模擬的結(jié)果與試驗結(jié)果吻合良好，荷載的最大差值為2.09 kN；位移的最大差值為12.07mm。因此，該模擬能夠較好地反應試件的受力狀態(tài)。

3.3 節(jié)點中端板受力性能分析

由于部分包裹混凝土柱與鋼梁外伸端板連接節(jié)點是研究的重點，因此將各試件節(jié)點中端板的應力云圖取出，進行進一步對比分析。通過Mises應力云圖分析可知，端板在上下兩側(cè)的兩排螺栓中部所受應力最大，加設豎向加勁肋端板受力明顯減小。

4 結(jié)論

在某油田儲油庫建筑建造過程中，通過對4組包裹混凝土柱與鋼梁試件的性能分析得出：這種連結(jié)方式是一種典型的半剛性節(jié)點，能夠吸收地震能量；通過有限元分析，可以看出端板是耗散地震能量的主要部位，增大端板厚度可以有效增加節(jié)點承載力；背墊板能夠明顯改善結(jié)構(gòu)的各類性能，設置背墊板等支撐可以明顯提高節(jié)點性能，是改善節(jié)點剛度的有效措施。采用這種包裹形式的結(jié)構(gòu)組件，

可以提高油田儲油庫建筑的抗震性能，降低維護率，提高使用期限，是油田地面工程中值得推廣和使用的優(yōu)良技術(shù)。

[1]趙根田，李鵬宇．H型鋼部分包裹混凝土組合短柱抗震性能的試驗研究[J]．內(nèi)蒙古科技大學學報，2008，27（4）：12-15.

[2]王金昌，楊森．大型LNG全容罐抗震隔震設計[J]．油氣田地面工程，2009，28（10）：53-55.

[3]陳紹蕃，顧強．鋼結(jié)構(gòu)[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003．

[4]韓林海，楊有福．現(xiàn)代鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

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（欄目主持楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.6.006

王姍：內(nèi)蒙古科技大學建筑與土木工程學院副教授，主要從事鋼結(jié)構(gòu)理論與設計研究。