張陽陽 (中建四局第六建筑工程有限公司，安徽 合肥 230012)唐榕 (合肥市市政工程管理處，安徽 合肥 230022)朱凱 (中交二公局第六工程有限公司，陜西 西安 710065)

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張陽陽 (中建四局第六建筑工程有限公司，安徽 合肥 230012)唐榕 (合肥市市政工程管理處，安徽 合肥 230022)朱凱 (中交二公局第六工程有限公司，陜西 西安 710065)

為了研究鋼管再生混凝土柱-鋼梁框架節(jié)點的抗震性能，基于已進行的試驗，在選取合適的本構關系后，選用大型有限元軟件ABAQUS對試驗中的不同再生骨料取代率下框架節(jié)點進行非線性分析；并在已建立的模型的基礎上，改變軸壓比和梁柱線剛度比參數(shù)，探究不同試驗參數(shù)對節(jié)點抗震性能的影響。研究結果表明，將理論計算得到的滯回曲線和實測滯回曲線對比后發(fā)現(xiàn)吻合較好，鋼管再生混凝土柱-鋼梁節(jié)點具有較好的耗能能力，不同骨料取代率對節(jié)點的抗震性能影響不明顯；軸壓比對節(jié)點彈性階段無明顯影響，增大軸壓比不利于節(jié)點的后期承載力；梁柱線剛度比越大，有利于節(jié)點的初始剛度和承載能力的提高；研究成果可為該類節(jié)點的工程實際應用提供理論支撐。

鋼管混凝土柱；節(jié)點；擬靜力試驗；抗震性能；非線性分析

鋼管混凝土結構良好的抗震性能已廣泛受到設計人員的青睞，矩形鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點組成的框架結構體系已在我國的高層及超高層中逐漸被使用。歷次的大地震災后調查發(fā)現(xiàn)[1，2]，大多數(shù)的建筑多見節(jié)點破壞，因為節(jié)點在地震中受到軸力、彎矩、剪力共同作用，受力復雜，極易發(fā)生較為嚴重的破壞[3]。而節(jié)點是結構中的重要和關鍵部位，故研究節(jié)點的抗震性能對于整體結構而言，具有重要的現(xiàn)實意義。

現(xiàn)階段，國內外學者關于鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點的研究成果較為豐富，多見于不同截面形式普通鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點抗震性能試驗的研究。國內學者周天華等[4]、張玉芬等[5]、丁永君等[6]、陳志華等[7]、李威等[8]、劉記雄等[9]、林明森等[10]對不同截面形式的鋼管混凝土柱-不同形式的鋼梁節(jié)點進行了一系列試驗研究和理論分析，研究結果表明該類節(jié)點具有良好的抗震性能。而關于鋼管再生混凝土柱-鋼梁框架節(jié)點抗震性能則較少，蘇益聲等[11]研究了方鋼管再生混凝土柱-帶加強環(huán)鋼梁節(jié)點的抗震性能，結果表明該類型節(jié)點具有較好的抗震性能。除此之外，尚未見到不同再生骨料取代率下鋼管再生混凝土柱-鋼梁節(jié)點抗震性能的試驗研究及有限元分析。

因此，基于已完成的試驗[12]，筆者擬采取合適的本構關系，對不同再生骨料取代率下框架節(jié)點進行有限元分析，評價有限元分析結果與實測結果的吻合度；并根據(jù)以建立的模型，改變軸壓比和梁柱剛度比參數(shù)，探究不同參數(shù)對框架節(jié)點抗震性能的影響，以期為該類型節(jié)點的應用和推廣提供理論支持。

1 試驗概況

1.1 試件設計與制作

試驗一共制作了2根鋼管再生混凝土柱-鋼梁框架節(jié)點試件模型，按照“強柱弱梁，強節(jié)點弱構件”設計制作，其再生骨料取代率分別為50%、100%，試件編號為JD-1、JD-2。柱子選用方鋼管矩形柱，截面尺寸150mm×150mm，壁厚為3.5mm。試件模型示意圖見圖1。試驗軸壓比為0.3，施加在柱頂上的軸力為450kN。方形鋼管內均填充混凝土等級為C40的再生混凝土，實測混凝土的立方體抗壓強度為39.5N/mm2。工字鋼梁截面H100mm×210 mm×5 mm×6mm，鋼梁是由3塊鋼板融透焊接形成。1m3再生混凝土質量配合比為水泥：砂∶水∶骨料=421.3∶523.2∶208.5∶1021.2，當取代率為50%時，天然骨料和再生骨料各取一半，當取代率為100%時，則全部使用再生骨料。

圖1 試件模型示意圖(單位：mm)

圖2 加載示意圖

1.2 加載裝置及加載制度

為了更好的探究框架節(jié)點的抗震性能，選擇使用作動器對節(jié)點試件進行加載。柱頂端施加恒定的軸力不變直至試驗結束，柱頂端同時與固定在反力墻上的作動器相連，通過作動器施加低周反復荷載。加載方式采用荷載-位移混合加載控制，試件屈服前采用荷載加載，直到試件滯回曲線出現(xiàn)拐點，再換成位移加載。加載位移選擇試件的屈服位移，每級循環(huán)3次，而試件屈服前的荷載加載時僅循環(huán)1次。直到試件的承載力下降至極限荷載的85%或試件無法繼續(xù)加載時方停止加載，加載示意圖見圖2。

2 有限元模型

選擇大型有限元分析軟件ABAQUS，用以分析矩形鋼管再生混凝土柱-工字形鋼梁框架節(jié)點在低周反復荷載下的受力性能，為了盡可能使得模擬情況和實際加載情況相同，現(xiàn)將具體建模過程敘述如下。

2.1 單元選取和網(wǎng)格劃分

建模時，均選取實體單元，這樣可以更精確模擬出實際中試件的尺寸、相應位置等條件。核心再生混凝土采用Solid65單元，該單位的優(yōu)點在于可以很好的考慮混凝土的變形，如徐變或收縮等。鋼板和焊縫選取Solid45單元。劃分網(wǎng)格時，選用映射自定義網(wǎng)格劃分，在加強環(huán)周邊需要對網(wǎng)格進行適當加密，以得到較好的精度。

2.2 材料本構關系

1)鋼材的本構關系 鋼材選擇是Q235B，將試件拉伸得到實測數(shù)據(jù)，見文獻[12]。為了使得模擬結果更為準確，將實測數(shù)據(jù)用于試件材料的參數(shù)，選取三折線表達式。

2)再生混凝土的本構關系 有限元分析時，只有參數(shù)設置正確了，才能得到較好的模擬結果。普通混凝土的本構關系已有學者進行了較多研究，而關于再生混凝土本構模型還沒有統(tǒng)一的規(guī)定，故需要更為慎重選取再生混凝土的本構模型。鋼管混凝土結構這種特殊的結構形式，使得混凝土被鋼管約束和包裹，故其力學性能更為復雜。其復雜主要表現(xiàn)在核心混凝土塑性會增強，主要體現(xiàn)在峰值應力對應的應變增大以及應力-應變曲線下降段退化較為平緩，引入約束效應系數(shù)ξ用于衡量這種變化：

(1)

式中，As、Ac分別為鋼材和混凝土的截面積，m2；α為含鋼率；fy為鋼材屈服強度，Pa；fck為混凝土軸心抗壓強度標準值，Pa。

混凝土受壓本構關系采取文獻[13]用的本構關系，混凝土受拉本構關系采取文獻[11]用的本構關系。

2.3 邊界條件與加載方式

首先對試件加載時邊界條件進行簡化，柱底為鉸接，柱頂部有滑動小車，使得柱在受軸力的同時也可以產(chǎn)生水平移動，梁端有定向支座，可以產(chǎn)生水平移動。柱頂部千斤頂提供的軸力可以折算成均布壓力，因軸力較大，可假設柱頂平面?zhèn)认騽偠葻o窮大。加載時，先在頂端施加荷載，再在加載段中心線位移施加水平荷載。在有限元ABAQUS中，設置2個荷載步，首先在柱頂端施加均布荷載，同時需根據(jù)軸力大小來調整步長，直到加載結束；其次荷載步為水平荷載的施加，采用位移控制。

3 模型驗證

將2根試件模擬計算的曲線和實測的曲線繪制于同一張圖形中，見圖3。水平極限承載力實測值和計算值見表1，實測和計算極限承載力對比見圖4。

圖3 實測和計算滯回曲線對比

從圖3、圖4及表1可知：

圖4 實測和計算極限承載力對比

1)2根試件有限元模擬計算曲線和實測曲線有一定的符合度，模擬結果大致可描述出試件加卸載規(guī)律，但也存在一部分的分離。原因主要有以下2點，一是因為有限元模擬是理想情況下的加載曲線，而實際試驗中存在制作和安裝等一系列不可避免的誤差，但模擬是根本未考慮這些誤差。二是因為實際加載過程中存在加載、卸載、再加載、再卸載等循環(huán)形成的滯回曲線，而有限元采用的是單調加載時的應力-應變關系，故造成了兩者滯回曲線出現(xiàn)了偏離。

2)2根試件JD-1、JD-2極限承載力實測值和計算值相差不大，基本接近，實測值與計算值比值分別為0.93、0.89，差別較小，離散性較小。

表1 水平極限承載力對比

從滯回曲線和極限承載力來看，建立的有限元模型可很好模擬出鋼管再生混凝土柱-鋼梁框架節(jié)點在低周反復荷載下的受力性能，可見筆者建立的模型是正確可行的。從實際工程來看，有限元模擬計算結果可基本滿足精度要求，為拓展分析提供了理論可能。同時，2根試件的極限承載力比較接近，實測滯回曲線形態(tài)也大體相同，且2根試件模擬滯回曲線也比較接近，說明不同再生骨料取代率對節(jié)點抗震性能影響較小。

4 參數(shù)影響分析

實際工程中，存在各種各樣的情況，不可能一次試驗能窮盡所有節(jié)點的受力性能。通過建立的有限元模型，分析了不同再生骨料取代率對節(jié)點抗震性能的影響，驗證了建立的有限元模型是正確和合理的。因此，可以改變不同的變化參數(shù)，運用有限元模型進行模擬，分析不同參數(shù)對節(jié)點抗震性能的影響，以滿足實際工程中各種不同情況的要求，為實際工程提供依據(jù)。

4.1 軸壓比

研究節(jié)點的軸壓比取為0.3，在實際工程中，根據(jù)建筑物的實際需要，需確定不同的軸壓比。模型采取和試件JD-1相同，僅改變豎向力來實現(xiàn)不同的軸壓比，分析的軸壓比為0.4、0.5，故其對應的軸壓分別為600、750kN。利用有限元軟件模擬分析出不同軸壓比下的骨架曲線，見圖5；不同軸壓比下極限承載力對比如圖6所示。

圖5 不同軸壓比下骨架曲線

圖6 不同軸壓比下極限承載力對比

從圖5、圖6可知，不同軸壓比對初始彈性階段的剛度影響極小，其曲線基本重合。這是由于彈性階段，柱二階效應還不突出，說明軸壓比對節(jié)點的剛度不產(chǎn)生明顯影響。隨著加載的進行，節(jié)點的剛度逐漸變小，說明存在剛度退化，越到加載后期，剛度退化越快。隨著軸壓比的增大，節(jié)點極限承載力逐漸降低，且后期退化階段的剛度退化速率也加快。這是由于節(jié)點軸壓比越大，鋼管柱的二階效應越來越突出，節(jié)點穩(wěn)定性也就越差，故軸壓比越大對節(jié)點后期承載能力越不利。

4.2 梁柱線剛度比

設計試件的梁柱線剛度比為1.23，梁柱線剛度比可以反映出梁對柱的約束程度，其值越大，則梁對柱約束作用越大。模型采取和試件JD-1相同，僅改變梁跨度來實現(xiàn)不同的梁柱線剛度比，分析的剛度比分別為1.35和1.50。利用有限元軟件模擬分析出不同梁柱線剛度比下的骨架曲線，見圖7；不同梁柱線剛度比下極限承載力對比圖見圖8。

從圖7、圖8可知，梁柱線剛度比越大，試件的初始剛度也越大，說明梁柱線剛度比對試件初始剛度有顯著影響。梁柱線剛度比越大，節(jié)點試件所達到的極限荷載也越大，這是由于梁柱線剛度比越大，梁剛度越大造成節(jié)點的抗彎承載力也越大，故其承載力也越大。梁柱線剛度比對節(jié)點骨架曲線退化階段影響不大，其退化曲線大致平行。這是因為在加載過程中，梁端塑性鉸不斷形成和發(fā)展，其梁剛度減小，故梁柱線剛度比對其影響不大。

圖7 不同梁柱線剛度比下骨架曲線

圖8 不同梁柱線剛度比下極限承載力對比

5 結論

1)不同再生骨料取代率對鋼管再生混凝土柱-鋼梁框架節(jié)點抗震性能影響較小，有限元軟件模擬計算出的滯回曲線和實測滯回曲線有一定的吻合度，說明建立的有限元模型是可行的。

2)軸壓比對節(jié)點彈性階段無明顯影響，但對節(jié)點的后期受力影響較大，增大軸壓比不利于節(jié)點的后期承載力。

3)梁柱線剛度比越大，有利于節(jié)點的初始剛度和承載能力的提高，但對節(jié)點后期退化階段的影響不明顯。

4)鋼管再生混凝土柱-鋼梁框架節(jié)點的抗震性能優(yōu)越，可在抗震設防區(qū)及超高層建筑中推廣使用。

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[編輯] 計飛翔

2016-09-16

住房和城鄉(xiāng)建設部科技計劃項目(2014-K2-021)。

張陽陽(1989-)，男，工程師，現(xiàn)主要從事結構工程抗震方面的研究工作；通信作者：朱凱，1879025407@qq.com。

TU398.9

A

1673-1409(2016)34-0010-05

[引著格式]張陽陽，唐榕，朱凱.鋼管再生混凝土柱-鋼梁節(jié)點抗震性能非線性有限元分析[J].長江大學學報(自科版)，2016,13(34)：10～14，45.