十字形鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)抗剪性能研究

趙 毅，閆夢(mèng)輝

(中原工學(xué)院 建筑工程學(xué)院，河南 鄭州 451191)

異形鋼管混凝土柱-鋼梁框架結(jié)構(gòu)是使用鋼材和混凝土兩種材料組合而成的一種新型組合結(jié)構(gòu)，能充分利用鋼材和混凝土的材料特性，既具有承載力高、塑性性能好等優(yōu)點(diǎn)[1]，又具有異形框架結(jié)構(gòu)布置靈活、不突出墻體、增大房屋使用空間等優(yōu)點(diǎn)。梁柱節(jié)點(diǎn)性能是影響框架結(jié)構(gòu)性能的重要因素，節(jié)點(diǎn)處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)[2]，要承受來自梁柱傳遞的軸力、剪力和彎矩，節(jié)點(diǎn)一旦失效，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的承載力急劇下降，造成嚴(yán)重的后果。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)鋼管混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)抗剪問題展開了一系列研究。許成祥等[3]通過對(duì)4個(gè)弱節(jié)點(diǎn)和強(qiáng)節(jié)點(diǎn)型內(nèi)隔板節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擬靜力加載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)弱節(jié)點(diǎn)破壞為核心區(qū)的剪切破壞，隨著軸壓比增加，節(jié)點(diǎn)抗剪承載力提高。聶建國(guó)等[4]為研究方鋼管混凝土柱剪切屈服問題，建立了內(nèi)隔板節(jié)點(diǎn)的抗剪受力模型，利用此模型分析了內(nèi)隔板節(jié)點(diǎn)的受剪和變形等問題?；谝延袖摴芑炷凉?jié)點(diǎn)，提出一種新型側(cè)板連接異形鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)。側(cè)板平貼于節(jié)點(diǎn)域，高于工字梁并沿其軸線方向外延伸一定距離，節(jié)點(diǎn)大樣如圖1所示。側(cè)板對(duì)節(jié)點(diǎn)區(qū)域加強(qiáng)明顯，該節(jié)點(diǎn)施工方便，傳力明確，與墻平齊。

圖1 節(jié)點(diǎn)大樣圖(td:側(cè)板厚度)

論文圍繞新型節(jié)點(diǎn)抗剪問題展開研究，根據(jù)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的破壞模式，提出新型節(jié)點(diǎn)在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的剪切屈服機(jī)制，揭示節(jié)點(diǎn)傳力機(jī)理。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，應(yīng)確保構(gòu)件節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪切破壞之前不發(fā)生彎曲破壞。構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)采用加厚柱翼緣鋼板的方式來提升柱的抗彎承載能力，如圖1(2-2剖面圖)中陰影部分。和鋼梁連接的柱肢為腹板肢，未與鋼梁相連的另一肢為翼緣肢，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)是梁柱相連的區(qū)域，它包括側(cè)板、腹板肢和翼緣肢。

由于該類節(jié)點(diǎn)仍未在實(shí)際工程中推廣應(yīng)用，相關(guān)研究較少，因此采用有限元模擬的方法，對(duì)其進(jìn)行擬靜力加載，分析新型節(jié)點(diǎn)工作機(jī)理、軸壓比及側(cè)板厚度對(duì)節(jié)點(diǎn)抗剪承載力的影響。

1 模型設(shè)計(jì)

本文以平面框架中的中柱節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象，參照實(shí)際工程，按12縮尺設(shè)計(jì)了5個(gè)節(jié)點(diǎn)模型，分別考慮了軸壓比和側(cè)板厚度對(duì)此類節(jié)點(diǎn)抗剪性能的影響，具體幾何尺寸參數(shù)見表1。鋼管柱、鋼梁和側(cè)板均采用Q235鋼材，核心混凝土為C40混凝土。

表1 節(jié)點(diǎn)模型幾何尺寸參數(shù)表

2 有限元模型建立

模型構(gòu)件包括十字形鋼管柱與核心混凝土、側(cè)板、工字鋼梁。核心混凝土采用ABAQUS中塑性損傷模型(Concrete Dam-aged Plasticity)，由于軸壓作用下鋼管對(duì)核心混凝土的約束效應(yīng)，本文選用韓林海[5]本構(gòu)模型，可考慮此約束效應(yīng)的影響，混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2(a)所示。鋼材本構(gòu)選用線性強(qiáng)化彈塑性模型，如圖2(b)所示。鋼管與混凝土采用面與面接觸，切向行為采用庫(kù)侖摩擦模型，法向行為定義為硬接觸[6]。鋼管柱、側(cè)板及工字鋼梁采用綁定約束(TIE)。模型所有部件均采用三維實(shí)體單元(C3D8R)模擬，節(jié)點(diǎn)域部位網(wǎng)格劃分更密，保證計(jì)算精度。

圖2 材料本構(gòu)模型

本文選用JGJ101-2015《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》[7]推薦的柱端加載方式，加載示意圖如圖3所示，柱頂面與參考點(diǎn)RP1耦合，限制其y方向的平動(dòng)及y、z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過在柱頂面施加壓強(qiáng)來模擬柱頂軸力，對(duì)參考點(diǎn)RP1施加往復(fù)水平位移來模擬擬靜力加載，位移增量為5 mm。柱底面與參考點(diǎn)RP2耦合，只可以繞著y軸轉(zhuǎn)動(dòng)，其余自由度全部約束。左右梁端面分別于RP3、RP4耦合，限制y、z方向平動(dòng)及x、z方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖3 有限元模型

3 有限元結(jié)果分析

3.1 模型破壞過程及形態(tài)

JD1在低周往復(fù)荷載作用下的Mises應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4 JD1的Mises應(yīng)力云圖

由圖4(a)可以看出：當(dāng)水平位移增至36.59 mm時(shí)，側(cè)板及十字形鋼管混凝土柱腹板肢腹板達(dá)到屈服強(qiáng)度，此時(shí)節(jié)點(diǎn)其余部件均處于彈性階段，隨著加載的持續(xù)進(jìn)行，加載至96.31 mm時(shí)，側(cè)板及十字形鋼管混凝土柱腹板肢腹板應(yīng)力持續(xù)增加，直至達(dá)到鋼材極限強(qiáng)度，此時(shí)節(jié)點(diǎn)達(dá)到極限承載力，極限承載力為272.78 kN，此時(shí)Mises應(yīng)力云圖如圖4(b)所示。

由有限元結(jié)果可知，節(jié)點(diǎn)模型發(fā)生的是剪切破壞，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)在柱頂壓力、彎矩、剪力和梁端傳遞的彎矩、剪力作用下[8]，梁端彎矩以拉壓力的形式傳遞給節(jié)點(diǎn)區(qū)柱腹板、混凝土和側(cè)板。節(jié)點(diǎn)核心區(qū)柱翼緣與側(cè)板形成一個(gè)封閉的鋼框架約束著核心混凝土，能有效約束核心混凝土的開裂變形，阻止節(jié)點(diǎn)承載力明顯下降。當(dāng)承受外荷載作用時(shí)，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)腹板肢腹板和側(cè)板首先達(dá)到屈服強(qiáng)度。繼續(xù)加載，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)腹板和側(cè)板大部分區(qū)域均到達(dá)屈服強(qiáng)度。進(jìn)一步加載，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)腹板和側(cè)板變形明顯，達(dá)到極限強(qiáng)度，塑性鉸貫穿，由于此時(shí)核心混凝土尚未達(dá)到極限壓應(yīng)變，節(jié)點(diǎn)仍可繼續(xù)承載。加載過程中，核心混凝土應(yīng)力主要分布在對(duì)角線方向的傾斜帶狀區(qū)域，由于往復(fù)力的作用，傾斜帶狀區(qū)域不斷變換，當(dāng)加載到一定值時(shí)，核心混凝土達(dá)到極限壓應(yīng)變，混凝土膨脹開裂明顯，此時(shí)節(jié)點(diǎn)成為幾何可變體系，節(jié)點(diǎn)不能進(jìn)一步承載。節(jié)點(diǎn)的受力機(jī)理為鋼桁架、混凝土主斜壓桿和約束斜壓桿的綜合作用。

JD2、JD3、JD4和JD5的破壞現(xiàn)象及特征與JD1模型相似，所有模型各階段的荷載及位移見表2，觀察節(jié)點(diǎn)骨架曲線發(fā)現(xiàn)，骨架曲線持續(xù)上升，并無平滑或者下降段，參考聶建國(guó)[4]對(duì)此類問題的處理辦法，取層間轉(zhuǎn)角變形為0.06 rad時(shí)的節(jié)點(diǎn)承載力為極限承載力。

表2 節(jié)點(diǎn)模型各特征點(diǎn)處荷載及位移

3.2 滯回曲線與骨架曲線

各模型柱端荷載-位移滯回曲線如圖5所示。

圖5 節(jié)點(diǎn)模型滯回曲線

由圖5可知：節(jié)點(diǎn)模型均呈飽滿的梭形，捏縮效應(yīng)不明顯，說明新型節(jié)點(diǎn)塑性性能和耗能能力較好。

各節(jié)點(diǎn)模型的骨架曲線如圖6所示。

圖6 節(jié)點(diǎn)模型骨架曲線

由圖6(a)可知：在加載前期，JD1、JD2和JD3骨架曲線基本重合，說明軸壓比的改變對(duì)節(jié)點(diǎn)初始剛度沒有影響，軸壓比的改變只對(duì)節(jié)點(diǎn)加載后期有一定影響，隨著軸壓比的增加，節(jié)點(diǎn)極限承載力略有增加，即增大軸壓比可以提升節(jié)點(diǎn)受剪承載力。由圖6(b)可知：節(jié)點(diǎn)極限承載力和初始剛度由高到低依次為JD5、JD4、JD1，說明隨著側(cè)板厚度的增加，節(jié)點(diǎn)初始剛度和極限承載力相應(yīng)增加。這是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)發(fā)生核心區(qū)剪切破壞，側(cè)板在剪切破壞中起到了重要作用，所以側(cè)板厚度增加，其承擔(dān)剪力的能力也相應(yīng)提升。

3.3 延性及耗能能力

各模型位移延性系數(shù)μ及黏滯阻尼系數(shù)he如表3所示。

表3 節(jié)點(diǎn)模型抗震性能指標(biāo)

由表3可知：節(jié)點(diǎn)模型延性系數(shù)為2.43～2.92，均大于普通混凝土結(jié)構(gòu)通常要求的位移延性系數(shù)2，說明新型節(jié)點(diǎn)模型具有良好的延性；節(jié)點(diǎn)模型等效黏滯阻尼系數(shù)為0.35～0.41，而普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)一般為0.1，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)一般為0.3[9]，說明新型節(jié)點(diǎn)具有良好的耗能能力。

4 結(jié)論

(1)節(jié)點(diǎn)模型破壞表現(xiàn)為節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的剪切破壞，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)側(cè)板及腹板肢腹板首先屈服，隨著加載持續(xù)進(jìn)行，在此位置塑性鉸貫穿，核心混凝土受力符合斜壓桿機(jī)理，節(jié)點(diǎn)的受力機(jī)理為鋼桁架、混凝土主斜壓桿和約束斜壓桿的綜合作用。

(2)軸壓比和側(cè)板厚度對(duì)新型節(jié)點(diǎn)受剪承載力有一定影響，增大軸壓比或側(cè)板厚度，節(jié)點(diǎn)受剪承載力提高，增加側(cè)板厚度可以提升節(jié)點(diǎn)初始剛度。

(3)新型節(jié)點(diǎn)具有良好的延性及耗能能力，所有節(jié)點(diǎn)模型延性系數(shù)為2.43～2.92，等效黏滯阻尼系數(shù)為0.35～0.41，滿足結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要求。