張東升，董錦坤，王 靜

鋼筋混凝土框架夾心節(jié)點的抗震性能分析

張東升1，董錦坤1，王 靜2

（1.遼寧工業(yè)大學 土木建筑工程學院，遼寧 錦州 121001；2.浙江建設職業(yè)技術學院 建筑工程學院，浙江 杭州 310000）

通過ABAQUS有限元軟件對夾心節(jié)點和傳統(tǒng)節(jié)點進行低周期往復加載下的模擬實驗，對其滯回曲線和骨架曲線進行對比分析，得出在低周反復循環(huán)加載下，鋼筋混凝土框架夾心節(jié)點的整體受力性能要比傳統(tǒng)節(jié)點略差的結論。

夾心節(jié)點；有限元；滯回曲線；骨架曲線

鋼筋混凝土結構中，柱的混凝土強度普遍大于梁的混凝土強度，當今，將節(jié)點與梁同時澆筑的施工方法具有簡化施工過程、降低施工難度、縮短工期等優(yōu)點[1]。這種與梁混凝土等級相同的節(jié)點稱為夾心節(jié)點。而對于和柱混凝土強度等級相同的節(jié)點，即傳統(tǒng)節(jié)點來說，柱的混凝土等級較高，若梁板混凝土等級同柱，則高強度混凝土并不能發(fā)揮其強度，造成經(jīng)濟上的浪費。通過有限元分析軟件，在低周期反復循環(huán)加載作用下，分別根據(jù)試件的滯回曲線與骨架曲線，對夾心節(jié)點和傳統(tǒng)節(jié)點的受力性能進行對比分析。

1 模型建立

1.1 傳統(tǒng)節(jié)點模型的建立

1.1.1 確定尺寸及配筋

本次有限元分析的試件是某試驗中用于探討節(jié)點受力性能所用的試件。結合我國現(xiàn)行規(guī)范《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2010)[2]和《混凝土結構設計規(guī)范》(GB 50010—2010)[3]的相關要求確定了試件的截面尺寸及配筋。

1.1.2 創(chuàng)建部件

在Part模塊中創(chuàng)建混凝土部件，將Modeling Space設置為3D，Shape設置為solid，Type選取Extrusion。接著分別創(chuàng)建箍筋和縱筋部件，將Modeling Space設置為3D，Base feature設置為Wire，最后繪制二維圖形。

1.1.3 創(chuàng)建材料和截面屬性

在Module模塊中選擇Property功能模塊，在該模塊中定義混凝土和鋼筋材料的本構關系和截面特性。在General Density選項中設置Mass Density為2400kg/m3，在Mechanical中分別定義Elasticity中的Young’s Modulus為2.95×1010、Poisson’s Ratio為0.2和Plasticity參數(shù)，重復上述步驟，設置Mass Density為7800kg/m3，Young’s Modulus為2.1×1011，Poisson’s Ratio為0.3。

1.1.4 設置分析步

本次有限元模型中設置了2個分析步，在第一個分析步step-1中施加軸壓和邊界條件并傳遞到第二個分析步中，第二個分析步step-2施加低周反復循環(huán)荷載。

1.1.5 定義約束

在Interaction功能模塊中，定義各個模型之間的約束關系。在Create Constrain中，Type項選擇Embedded Region，保持各項參數(shù)的默認值不變，完成鋼筋骨架與混凝土之間的約束定義。

1.1.6 定義荷載和約束條件

在Load功能模塊中，進行荷載和邊界條件的定義。在荷載中定義軸壓荷載，本文采用位移加載方式進行加載。利用Amplitudes建立加載規(guī)律，進行加載。在定義邊界條件時，柱底中心線定義為鉸支座，來限制X、Y、Z方向的位移，即X=Y=Z=0。在柱上端定義滑動鉸支座來限制X和Y方向的位移，即X=Y=0。

1.1.7 劃分網(wǎng)格

在Mesh功能模塊中設置混凝土為C3D8R三維減縮積分單元，鋼筋的網(wǎng)格類型為T3D2桿單元。網(wǎng)格單元尺寸50mm。邊緣處的網(wǎng)格大小為25mm。

通過上述步驟建立出的模型如圖1、圖2所示。

圖1 混凝土單元模型

圖2 鋼筋單元模型

1.2 夾心節(jié)點模型的建立

為了對2種不同形式的節(jié)點的受力性能進行對比分析，除了以混凝土強度為變量外，試件模型、單元設置、網(wǎng)格劃分、定義材料屬性、施加邊界條件、確定加載方式等均與傳統(tǒng)節(jié)點相同。在此不再贅述。

2 結果分析

2.1 滯回曲線分析

通過對傳統(tǒng)節(jié)點和夾心節(jié)點進行低周期反復循環(huán)荷載作用，得到傳統(tǒng)節(jié)點及夾心節(jié)點的滯回曲線如圖3、圖4所示。

圖3 傳統(tǒng)節(jié)點的滯回曲線

圖4 夾心節(jié)點的滯回曲線

滯回曲線又稱作恢復力特性曲線，是恢復力隨著變形變化的曲線?？梢钥闯觯瑐鹘y(tǒng)節(jié)點的滯回曲線與夾心節(jié)點的滯回曲線相比更加飽滿，與傳統(tǒng)節(jié)點相比，夾心節(jié)點出現(xiàn)不飽滿、略扁長、呈現(xiàn)出反S狀、有稍微的“捏縮”現(xiàn)象。同等條件下夾心節(jié)點的極限變形要稍低于傳統(tǒng)節(jié)點。

2.2 骨架曲線分析

通過對傳統(tǒng)節(jié)點和夾心節(jié)點進行低周期反復循環(huán)荷載作用，得到傳統(tǒng)節(jié)點及夾心節(jié)點的滯回曲線如圖5、圖6所示。

圖5 傳統(tǒng)節(jié)點的骨架曲線

圖6 夾心節(jié)點的骨架曲線

骨架曲線是指在反復循環(huán)加載下，取每一次循環(huán)的環(huán)線上峰值點也就是初始卸載點將其連線，變成為骨架曲線。因為骨架曲線作為滯回曲線的包絡線，所以和滯回曲線一樣是研究抗震性能的一個重要指標。骨架曲線表達了結構或構件在反復加載過程中荷載-位移的關系。

通過試件的2個骨架曲線，可以看出夾心節(jié)點骨架曲線的縱坐標最大極限荷載略低于傳統(tǒng)節(jié)點。根據(jù)各個試件的骨架曲線下所包圍的面積來看，傳統(tǒng)節(jié)點試件比夾心節(jié)點試件骨架曲線包圍面積要大。這表明，在相同條件下，夾心節(jié)點的梁端極限荷載和極限變形要稍低于傳統(tǒng)節(jié)點。

3 結語

通過以上對比分析，得出如下結論。

(1)在低周反復循環(huán)加載下，鋼筋混凝土框架夾心節(jié)點的整體受力性能要比傳統(tǒng)節(jié)點略差。但是在其他條件均滿足要求的情況下，2種形式的節(jié)點區(qū)都會有一定的安全儲備。

(2)在解決高層框架結構設計以及方便施工、節(jié)約資金等情況下，為滿足結構抗震性能，可通過考慮在節(jié)點核心區(qū)加插短筋、增設斜筋和水平箍筋等措施。

[1] 李英民，劉建偉. 鋼筋混凝土框架夾心節(jié)點抗震性能試驗研究[J]. 建筑結構學報,2010,31(12):74-82.

[2]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部, 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢測檢疫總局. GB 50011—2010. 建筑設計抗震規(guī)范[S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2010.

[3]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部, 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢測檢疫總局. GB 50011—2010. 混凝土結構設計規(guī)范[S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2010.

Seismic Performance Analysis of Sandwich Joints of Reinforced Concrete Frame

ZHANG Dong-sheng1, DONG Jin-kun1, WANG Jing2

（1.School of Civil and Architectural Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China;2.School of Architectural Engineering, Zhejiang College of Construction, Hangzhou 310000, China）

In this paper, the finite element analysis software ABAQUS is used to make a simulation experiment on sandwich joint and traditional joint by low-cycle cyclic shift loading, the hysteric curves and skeleton curves are analyzed and compared between sandwich joint and traditional joint. Through contrastive analysis, it’s concluded that the overall mechanical performance of the sandwich joints of reinforced concrete frame is slightly worse than the traditional joints when the low-cycle cyclic shift is loaded.

sandwich joint; finite element; hysteric curve; skeleton curve

TU352.1+1

A

1674-3261(2021)02-0132-03

10.15916/j.issn1674-3261.2021.02.013

2020-11-06

遼寧省高校基本科研項目(JFL201715402)

張東升(1997-)，男，安徽合肥人，碩士生。

董錦坤(1965-)，男，遼寧凌海人，教授，博士。

責任編校：孫 林