陳　茜,白曉紅，焦燏烽,劉小敏

(河南科技大學 土木工程學院，河南 洛陽 471023)

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新型異形鋼管混凝土節(jié)點力學性能試驗及有限元分析

陳茜,白曉紅，焦燏烽,劉小敏

(河南科技大學 土木工程學院，河南 洛陽 471023)

為了研究新型異形鋼管混凝土節(jié)點的抗震性能，對5個縮尺比為1/2的節(jié)點模型進行了低周反復荷載試驗，對其滯回曲線、承載力和耗能進行了分析。分析結(jié)果表明：內(nèi)隔板式異形鋼管混凝土節(jié)點承載力高，抗震性能好。在試驗的基礎上，利用ANSYS軟件對試件進行了有限元模擬，計算結(jié)果與試驗結(jié)果符合較好。由有限元分析得出試件在各個受力階段混凝土損傷、應力的發(fā)展規(guī)律，獲得了鋼管約束力對節(jié)點域混凝土力學性能的影響規(guī)律。

異形鋼管混凝土；內(nèi)節(jié)點；擬靜力試驗；有限元分析

0　引言

近年來，鋼筋混凝土異形柱結(jié)構(gòu)在中國得到了大量的應用，取得了可觀的經(jīng)濟效益和社會效益。但在實際應用中，該種結(jié)構(gòu)節(jié)點存在以下缺陷[1-2]：(1)節(jié)點區(qū)混凝土受壓區(qū)應力分布很不均勻，節(jié)點抗震性能差。(2)由于混凝土強度和截面配筋率的限制，節(jié)點承載能力低。(3)在實際工程中，節(jié)點布筋、澆筑混凝土等施工過程較為困難。為克服上述缺點，研發(fā)了一種新型內(nèi)隔板式異形鋼管混凝土節(jié)點。該種節(jié)點利用鋼管對混凝土的約束作用，提高混凝土強度，同時改善混凝土的塑性和韌性[3-4]。在施工過程中，鋼管可作為澆灌核心混凝土的模板，實現(xiàn)生產(chǎn)構(gòu)件的標準化和產(chǎn)業(yè)化，適用于高層建筑及高烈度設防地區(qū)。

目前，這種新型異形鋼管混凝土節(jié)點的相關(guān)研究較少，只有文獻[5]對隔板貫通式異形鋼管混凝土節(jié)點進行了擬靜力試驗。為研究新型內(nèi)隔板式異形鋼管混凝土節(jié)點，本文選取5個240mm肢厚、1/2縮尺比的內(nèi)隔板式異形鋼管混凝土節(jié)點模型進行低周反復荷載試驗，并與有限元數(shù)值模擬進行了對比分析，更全面、系統(tǒng)地研究了新型異形鋼管混凝土節(jié)點的力學性能。

1　試驗方案

1.1試件設計及材料

通過5個內(nèi)隔板式異形鋼管混凝土節(jié)點的低周反復荷載試驗，研究柱截面肢高肢厚比(和梁相連的柱肢截面高度與厚度之比)和軸壓比對節(jié)點力學性能的影響。

所有試件都采用了工字形鋼梁，其上下翼緣通過帶墊板坡口熔透焊縫與柱連接，腹板通過角焊縫與柱連接。柱鋼管由鋼板焊接而成，試件的節(jié)點構(gòu)造見圖1。圖1中，h為鋼梁高度；ts和tf分別為內(nèi)隔板厚度和翼緣厚度；tsf和tsw分別為鋼梁翼緣厚度和腹板厚度；bf為鋼梁翼緣寬度。節(jié)點核心區(qū)內(nèi)隔板構(gòu)造采用《矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[6]推薦的形式，內(nèi)隔板采用帶墊板坡口熔透焊縫與柱鋼管進行焊接，為方便澆筑混凝土，內(nèi)隔板均有混凝土澆筑孔。試件的設計參數(shù)見表1。表1中，ts、tw和tf分別為內(nèi)隔板厚度、柱鋼管腹板厚度和翼緣厚度;bf為鋼梁翼緣寬度；n為軸壓比。試件中的柱鋼管、內(nèi)隔板和鋼梁均在鋼結(jié)構(gòu)加工廠加工并焊接在一起，在現(xiàn)場將試件骨架吊裝、固定，最后在柱鋼管中澆筑混凝土。主要鋼板、混凝土的材料力學性能如表2所示。表2中，t、 fu、 fy、E和δ分別為柱鋼管鋼板(除了與鋼梁焊接的鋼板部分)的厚度、鋼材極限強度、屈服強度、彈性模量和伸長率； fcu為混凝土立方體抗壓強度。4mm厚鋼板采用Q235，其余厚度的鋼板均采用Q345，由于試件柱鋼管尺寸較小，為保證混凝土的澆筑質(zhì)量，混凝土粗骨料采用豆石。

圖1　試件節(jié)點構(gòu)造

試件編號n柱截面肢高肢厚比ts/mmtw/mmtf/mmh×bf×tsw×tsf/mm4+J10.20220416300×120×10×16+J20.26220416300×120×10×16+J30.32220418300×120×10×16+J40.20325416300×120×10×20+J50.20435416300×120×10×30

表2　試件主要材料的力學性能

1.2試驗方法

試驗采用柱端加載，M2801電液伺服程控系統(tǒng)施加柱端水平往復荷載，豎向加載使用油壓千斤頂，通過千斤頂與反力梁之間的滾軸確保千斤頂能夠隨柱端同步移動。由于試件破壞主要發(fā)生在節(jié)點核心區(qū)，試驗前在節(jié)點核心區(qū)、鄰近節(jié)點的梁端和柱端粘貼大量應變計，并沿核心區(qū)對角線方向布置百分表，在梁端、柱端布置位移計和百分表。

1.3試驗結(jié)果及分析

1.3.1試件破壞特征

試件為典型的“弱節(jié)點強構(gòu)件”,試件達到極限荷載時，節(jié)點域進入屈服后強化階段，局部出現(xiàn)了屈曲現(xiàn)象，如圖2所示。當荷載下降至某一數(shù)值，試件核心區(qū)在內(nèi)隔板、柱翼緣交匯處的鋼腹板與柱翼緣連接焊縫開裂，之后裂縫沿豎直方向發(fā)展，并且寬度不斷增大；當荷載臨近破壞荷載時，內(nèi)隔板一側(cè)與柱翼緣連接焊縫發(fā)生破壞，柱翼緣局部鋼管外鼓，如圖3所示。將破壞后的節(jié)點核心區(qū)鋼腹板剝開后，發(fā)現(xiàn)核心區(qū)柱腹板與混凝土之間的黏結(jié)未破壞，由于核心區(qū)內(nèi)隔板和柱鋼管形成的剛性框有效約束著混凝土，混凝土未發(fā)生壓潰破壞；在節(jié)點域柱端未出現(xiàn)明顯的混凝土壓碎現(xiàn)象，表明核心區(qū)混凝土未發(fā)生承壓破壞；腹板肢節(jié)點核心區(qū)沿對角線方向有兩條交叉斜裂縫(如圖4所示)，翼緣肢節(jié)點核心區(qū)臨近對角線方向同樣存在兩條交叉斜裂縫，但其裂縫寬度要小于腹板肢節(jié)點核心區(qū)斜裂縫。

圖2 節(jié)點鋼腹板屈曲圖3 節(jié)點焊縫破壞圖4 節(jié)點混凝土開裂

1.3.2滯回曲線

試驗測得部分試件(+J1、+J3、+J5)的柱端水平荷載P與層間位移△的關(guān)系曲線見圖5，其他試件圖略。試件+J1、+J2和+J3達到極限荷載之前，滯回曲線呈紡錘形，此后由于節(jié)點核心區(qū)混凝土斜裂縫的開展，并且裂縫隨柱端水平荷載方向的改變而交替開閉，滯回曲線逐漸發(fā)展成梭形；臨近破壞荷載時，由于核心區(qū)混凝土斜壓桿逐漸壓碎破壞，混凝土退出工作,試件滯回曲線接近于紡錘形。試件+J4和+J5達到極限荷載之前，滯回曲線呈梭形；試件超過極限荷載后，由于應力集中和焊接缺陷等因素影響，核心區(qū)在內(nèi)隔板、柱翼緣交匯處的鋼腹板與柱翼緣連接焊縫開裂，之后試件承載力迅速下降，節(jié)點滯回曲線形狀介于梭形和弓形之間。

圖5　部分試件荷載-位移滯回曲線

1.3.3骨架曲線及耗能

圖6　試件荷載-位移骨架曲線

滯回曲線的外包線即為骨架曲線，各試件的荷載-位移骨架曲線如圖6所示。由圖6可知：節(jié)點試件骨架曲線有較長、較平緩的下降段；在相同條件下，肢高肢厚比大的試件具有更高的極限荷載,但其骨架曲線的下降段則相對較陡,表明增加試件肢高肢厚比能有效提高節(jié)點的受剪承載力,但將降低其變形能力和延性。

等效黏滯阻尼因數(shù)可表示試件的耗能能力，鋼筋混凝土節(jié)點的等效黏滯阻尼因數(shù)在0.100左右[7]，鋼筋混凝土異形柱框架節(jié)點的等效黏滯阻尼因數(shù)較普通鋼筋混凝土節(jié)點要小。根據(jù)試驗結(jié)果，異形鋼管混凝土節(jié)點試件在極限荷載時，等效黏滯阻尼因數(shù)達0.115～0.192；試件在破壞荷載時，等效黏滯阻尼因數(shù)達0.243～0.264，表明異形鋼管混凝土節(jié)點的耗能能力優(yōu)于鋼筋混凝土異形節(jié)點。

2　有限元模擬

2.1模型建立及單元選取

選用ANSYS10.0對試件進行非線性有限元模擬，試驗后剝開節(jié)點核心區(qū)柱鋼管，發(fā)現(xiàn)節(jié)點鋼管和混凝土之間的黏結(jié)作用較強，故將試驗試件進行適當?shù)暮喕J為鋼管和混凝土之間沒有相對滑移產(chǎn)生。在前處理器中用Solid65模擬試件混凝土部分，用Solid45模擬試件柱鋼管、內(nèi)隔板和鋼梁，混凝土本構(gòu)模型采用鋼管混凝土構(gòu)件中核心混凝土等效應力-應變關(guān)系模型[8-9]，柱鋼管腹板采用多線性隨動強化模型，柱鋼管翼緣、內(nèi)隔板和鋼梁采用雙線性隨動強化模型。依次建立柱、鋼梁的實體模型，在內(nèi)隔板、填充混凝土的位置用工作平面切割柱實體模型，再通過定義單元屬性建立柱鋼管、混凝土和內(nèi)隔板的實體模型。為模擬試件柱底部的固定鉸支座，在柱底的剛性塊中線上施加x、y和z這3個方向的位移約束；為模擬試件梁底部的可動鉸支座，放松x方向的位移約束，在梁端施加y和z兩個方向的位移約束[10]。

由有限元計算得出的柱端水平荷載-位移曲線和試驗骨架曲線的比較如圖7所示。由圖7可知：5個試件的有限元計算曲線和試驗骨架曲線吻合較好，由于在有限元分析時未考慮鋼材、混凝土的塑性損傷，有限元計算曲線沒有明顯的下降段。

2.2有限元分析

2.2.1混凝土損傷發(fā)展

通過ANSYS有限元分析可得到試件柱鋼管內(nèi)混凝土在各個受力階段的損傷情況，圖8表示試件+J1腹板肢和翼緣肢混凝土損傷的發(fā)展。當荷載加到50kN(約為極限荷載的18%)時，試件腹板肢、翼緣肢梁柱連接處左上端和右下端均出現(xiàn)第1批彎曲裂縫，如圖8a所示，混凝土開裂面為水平面，此時試件層間位移很小(約為4.8mm)。隨著荷載的繼續(xù)增大，彎曲裂縫不斷增加，裂縫向節(jié)點核心區(qū)緩慢發(fā)展。當荷載加到135kN(約為極限荷載的49%)時，試件腹板肢核心區(qū)中部混凝土出現(xiàn)第2批斜向裂縫，如圖8b所示，而翼緣肢核心區(qū)未出現(xiàn)斜向裂縫。繼續(xù)加載，腹板肢核心區(qū)斜裂縫由中心向四角發(fā)展，并向梁端、柱端發(fā)展。試件達到屈服荷載(237kN)時，腹板肢節(jié)點鋼腹板屈服，腹板肢核心區(qū)混凝土單元大都沿斜向開裂，而翼緣肢核心區(qū)中部混凝土出現(xiàn)斜向開裂，如圖8c所示，由于內(nèi)隔板、柱鋼管對混凝土的約束作用，此后核心混凝土仍能繼續(xù)承擔荷載。試件超過極限荷載(274kN)后，腹板肢核心區(qū)混凝土單元逐漸壓碎，承載力逐漸下降，最終導致節(jié)點破壞。

圖7 有限元計算曲線與試驗骨架曲線比較圖8 試件+J1腹板肢和翼緣肢混凝土損傷發(fā)展圖

2.2.2混凝土應力分析

試件在極限狀態(tài)時，節(jié)點核心區(qū)混凝土腹板肢、翼緣肢主應力矢量圖如圖9所示。同時，對節(jié)點混凝土主壓應力進行分析，可知：試件腹板肢、翼緣肢節(jié)點核心區(qū)混凝土主要承受斜向的主壓應力，表明腹板肢和翼緣肢節(jié)點核心區(qū)均沿對角線方向形成明顯的“斜壓短柱”；腹板肢、翼緣肢節(jié)點角部混凝土的主壓應力較大，翼緣肢節(jié)點混凝土主壓應力普遍高于腹板肢節(jié)點混凝土主壓應力，翼緣肢節(jié)點混凝土斜壓桿比腹板肢節(jié)點混凝土斜壓桿更明顯，這是由于試件屈服后，腹板肢節(jié)點端部、中部混凝土大面積開裂，主壓應力迅速下降。

2.2.3混凝土性能分析

在有限元分析結(jié)果中可得到試件腹板肢、翼緣肢節(jié)點核心區(qū)測點(見圖10)處混凝土的壓應力-應變關(guān)系。圖11對比分析了各測點處混凝土的壓應力-應變(σ-ε)關(guān)系和素混凝土單軸受壓Hognestad模型[11]。由圖11可以看出：試件+J1和試件+J4 所有測點處混凝土的抗壓強度均大于素混凝土單軸抗壓強度。這是由于試件柱鋼管、內(nèi)隔板包裹著節(jié)點核心區(qū)混凝土，隨著節(jié)點混凝土裂縫的出現(xiàn)與發(fā)展，節(jié)點混凝土的橫向變形將大于柱鋼管、內(nèi)隔板的變形，故柱鋼管、內(nèi)隔板對節(jié)點混凝土產(chǎn)生約束力，使節(jié)點混凝土處于三向受壓狀態(tài)，從而有效抑制節(jié)點混凝土裂縫的發(fā)展，提高節(jié)點混凝土抗壓強度。與測點#2、#3和#5相比，測點#1和#4處混凝土抗壓強度提高的幅度更大(7%～10%)，這是由于柱鋼管轉(zhuǎn)角處的剛度較大，變形較小，對核心混凝土的約束力較強[12]。試件節(jié)點核心區(qū)鋼腹板屈服后，由于鋼腹板有一段較長的塑性流動階段，鋼腹板對核心混凝土的約束力保持不變。試件+J1的測點#2，試件+J4的測點#2、#3、#4和#5達到抗壓強度后，壓應力-應變曲線近似為一段直線，表明試件腹板肢、翼緣肢節(jié)點域混凝土應變不斷增大，應力保持不變。

圖9 節(jié)點混凝土主應力矢量圖圖10 測點位置

(a) 試件+J1 (b) 試件+J4

圖11節(jié)點混凝土和素混凝土壓應力-應變關(guān)系比較

3　結(jié)論

(1)該種新型異形鋼管混凝土節(jié)點滯回曲線飽滿，抗震性能好，耗能能力優(yōu)于鋼筋混凝土異形節(jié)點；試件翼緣肢可以增強和改善節(jié)點核心區(qū)的受剪承載力，但將降低其變形能力和延性。

(2)通過對比試驗結(jié)果與有限元分析結(jié)果，證明所建立的有限元模型合理正確，能夠客觀反映節(jié)點的受力特性以及破壞特征。

(3)試件屈服時，腹板肢、翼緣肢節(jié)點域混凝土均出現(xiàn)斜向開裂；試件超過極限荷載后，腹板肢節(jié)點域混凝土逐漸被壓碎；試件腹板肢和翼緣肢節(jié)點核心區(qū)均存在混凝土斜壓桿。

(4)由于柱鋼管、內(nèi)隔板對節(jié)點域混凝土的約束力，核心區(qū)混凝土抗壓強度有大幅度提高；試件屈服后，試件腹板肢、翼緣肢節(jié)點域混凝土應變不斷增大，應力保持不變。

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國家自然科學基金項目(50978217);教育部高等學校博士學科點專項科研基金項目(20096120110005);河南科技大學科研基金項目(2014QN014)

陳茜(1982-),女,河南洛陽人,講師,博士,主要研究方向為鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)抗震及設計.

2015-11-21

1672-6871(2016)06-0066-06

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.06.014

TU317

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