王慶江

窯尾框架節(jié)點(diǎn)抗震性能分析

王慶江

為了給窯尾框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與分析提供參考，針對實(shí)際窯尾鋼管混凝土框架梁柱節(jié)點(diǎn)在單調(diào)加載和低周往復(fù)加載下的受力、變形性能進(jìn)行了研究。采用數(shù)值分析方法分析了窯尾結(jié)構(gòu)典型梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震性能，對節(jié)點(diǎn)單調(diào)加載下的承載力、低周往復(fù)荷載作用下的延性以及耗能能力等指標(biāo)進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，加強(qiáng)環(huán)式鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)出典型“強(qiáng)柱弱梁”型節(jié)點(diǎn)的特征，節(jié)點(diǎn)具有良好的滯回耗能能力。

窯尾框架；節(jié)點(diǎn)；鋼管混凝土；抗震性能；粘結(jié)滑移

Abstract:To provide reference for design and analysis of the preheater frame structure joints,aimed at the actual preheater concrete-filled steel tube beam-column joints,the force and deformation prop?erties under the monotonic load and cyclic reciprocating load was studied.With the numerical simula?tion method,the seismic performances of the beam-column joints of the structure was studied,and the study mainly focuses on the bearing capacity under monotonic loading,the ductility under low cyclic loading and the energy dissipation ability of the joints.Through the analyses,it could be concluded that the enforced loop joint of concrete filled steel-tubular column had typical characteristic of joint of"strong column and weak beam",and the joint had good ability of hysteretic energy.

Key words:preheater tower;joints;concrete filled steel tube;seismic performance;bond slip

隨著高層建筑的不斷發(fā)展，鋼管混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)形式不斷豐富。常用的節(jié)點(diǎn)形式有：加強(qiáng)環(huán)式剛接節(jié)點(diǎn)、錨定板式剛接節(jié)點(diǎn)、十字板式剛接節(jié)點(diǎn)。其中加強(qiáng)環(huán)式剛接節(jié)點(diǎn)是目前研究最成熟、應(yīng)用最廣泛的一種節(jié)點(diǎn)類型。目前國內(nèi)外對加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)受力性能和抗震性能進(jìn)行了大量研究[1-4]，研究及工程實(shí)踐表明，加強(qiáng)環(huán)式剛接節(jié)點(diǎn)具有傳力路徑明確、節(jié)點(diǎn)剛度大、承載力高等優(yōu)點(diǎn)，容易滿足抗震設(shè)計(jì)中“強(qiáng)柱弱梁、節(jié)點(diǎn)更強(qiáng)”的要求。本文針對實(shí)際窯尾鋼管混凝土框架梁柱節(jié)點(diǎn)，采用數(shù)值模擬方法，對其進(jìn)行了節(jié)點(diǎn)極限承載力和抗震性能分析。

1 節(jié)點(diǎn)有限元模型的建立

節(jié)點(diǎn)選擇按照以下兩個原則進(jìn)行：（1）相同柱截面的情況下選擇梁截面最大和最小的兩組節(jié)點(diǎn)；（2）優(yōu)先選取設(shè)有支撐桿件的節(jié)點(diǎn)。所選取的5組節(jié)點(diǎn)板件尺寸見表1。

節(jié)點(diǎn)模型中鋼管壁、鋼梁采用薄殼單元模擬，混凝土采用體單元模擬，施加約束、荷載的邊界單元采用剛體材料，以避免分析中出現(xiàn)應(yīng)力集中和不真實(shí)的變形。節(jié)點(diǎn)模型選擇梁、柱反彎點(diǎn)位置作為節(jié)點(diǎn)邊界，即柱長度取為層高的1/2，梁長度取為主梁跨度的1/2。鋼材選用服從VON-MISES屈服準(zhǔn)則的雙線性隨動強(qiáng)化本構(gòu)模型，材料的強(qiáng)化模量取為彈性模量的0.01倍，失效應(yīng)變?nèi)?.6?；炷吝x用LS-DYNA中的16號材料模型MAT_PSEU?DO_TENSOR模擬。節(jié)點(diǎn)有限元模型如圖1所示。

2 粘結(jié)滑移的模擬與驗(yàn)證

鋼管與核心混凝土之間的協(xié)同互補(bǔ)作用是鋼管混凝土具有一系列突出優(yōu)點(diǎn)的根本原因，而鋼管混凝土中鋼管和混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度直接影響到兩種材料能否共同協(xié)同工作[5]，進(jìn)而影響鋼管混凝土結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的受力性能，如破壞形態(tài)、承載能力以及裂縫和變形等。

圖1 節(jié)點(diǎn)有限元模型

2.1 有限元模型中粘結(jié)滑移的模擬

由于鋼管混凝土界面粘結(jié)滑移剛度沿著鋼管長度方向上是變化的，而鋼管混凝土連接界面上的內(nèi)部滑移比較難測定，因此，計(jì)算中往往以構(gòu)件平均粘結(jié)應(yīng)力和構(gòu)件端部（加載端或自由端）滑移的關(guān)系作為粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系[6]。

本文對鋼管與核心混凝土之間粘結(jié)滑移的模擬是通過在LS-DYNA中定義固連失效接觸模型（*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SUR?

FACE_TIEBREAK）實(shí)現(xiàn)的。該接觸模型是基于抗拉和抗剪強(qiáng)度建立固連失效準(zhǔn)則，如圖2所示。初始時(shí)刻鋼管與核心混凝土之間處于固連狀態(tài)，當(dāng)接觸應(yīng)力σn和剪應(yīng)力σs滿足式（1）時(shí)固連作用失效，鋼管和核心混凝土之間可以分離和滑移。

式中：

σn——法向接觸應(yīng)力

表1 節(jié)點(diǎn)參數(shù)

σs——切向接觸應(yīng)力

NFLS——法向失效拉應(yīng)力

SFLS——切向失效應(yīng)力

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所選用的本構(gòu)模型和粘結(jié)滑移模型的適用性和有效性，采用上述材料模型和粘結(jié)滑移模型對內(nèi)布拉斯加林肯大學(xué)Ahmed Elremaily和Atorod Azizinamini所做的鋼管混凝土柱低周往復(fù)試驗(yàn)[7]進(jìn)行了模擬，并將模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比。

圖3為試件變形圖與有限元模擬的對比，可以看出，所選材料模型和粘結(jié)滑移模型可以很好地模擬試件變形，尤其是試驗(yàn)中試件失效時(shí)中部由于剛性圓環(huán)的存在導(dǎo)致鋼管混凝土柱向外突出的現(xiàn)象得到了很好的反應(yīng)。

圖4為往復(fù)荷載作用下柱端水平剪力與水平位移滯回曲線的比較，從圖中可以看出有限元模型水平剪力峰值與試驗(yàn)結(jié)果一致，在Δy=14mm時(shí)有屈服剪力Py=708kN；加載后期節(jié)點(diǎn)域剛度退化現(xiàn)象與試驗(yàn)結(jié)果相近。試驗(yàn)實(shí)測曲線與有限元模擬的主要區(qū)別在于有限元模擬結(jié)果比實(shí)測曲線更加飽滿，造成這一結(jié)果的可能原因是：（1）有限元模擬時(shí)所采用的材料本構(gòu)模型在包辛格效應(yīng)的反應(yīng)上與實(shí)際材料存在差異；（2）沒有考慮反復(fù)加載下的損傷累積效應(yīng)。

綜上所述，本文所選用的材料本構(gòu)模型和粘結(jié)滑移模型以及模擬方法可以有效地模擬鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在往復(fù)荷載作用下的各項(xiàng)力學(xué)性能和變形性能，可以用于鋼管混凝土柱鋼梁節(jié)點(diǎn)的抗震性能研究。

圖2 失效準(zhǔn)則

圖3 試件變形比較

a 試驗(yàn)滯回曲線

圖4 試件滯回曲線比較

3 節(jié)點(diǎn)單調(diào)加載有限元分析

本文選擇在梁端施加豎向荷載，并保持柱頂軸向力的加載方式[8]，分析時(shí)在柱底端施加三向線位移約束、柱頂端限制水平線位移和出平面線位移，在梁端施加出平面線位移約束。

作為組合結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)，鋼管混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)受力特點(diǎn)既不同于鋼結(jié)構(gòu)也不同于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，針對這種節(jié)點(diǎn)的屈服荷載、位移和破壞位移的確定尚無統(tǒng)一的準(zhǔn)則，本文中采用了“通用屈服彎矩法”（G.Y.M.M）來確定節(jié)點(diǎn)的屈服點(diǎn)和破壞點(diǎn)。通用屈服彎矩法原理如圖5所示，對于圖中這類無明顯屈服點(diǎn)（拐點(diǎn)）的荷載位移曲線，過坐標(biāo)原點(diǎn)作P-Δ曲線的切線與曲線最高荷載點(diǎn)Pmax點(diǎn)的水平線相交于B點(diǎn)，過B點(diǎn)作垂線并相交于P-Δ曲線于A點(diǎn)，作割線OA的延長線交水平切線DB于C點(diǎn)，過C點(diǎn)，由C點(diǎn)作垂線交P-Δ曲線于E點(diǎn)，則E點(diǎn)即為屈服點(diǎn)，相應(yīng)的橫、縱坐標(biāo)即為屈服荷載Py、屈服位移對應(yīng)于破壞荷載Pu的位移為極限位移，而試件的破壞荷載Pu定義為：

式中：

Pmax——加載過程中的荷載最大值

圖5 通用屈服彎矩法原理

3.1 單調(diào)加載的荷載與位移（P-Δ）曲線

對窯尾框架節(jié)點(diǎn)進(jìn)行單調(diào)加載的三維非線性有限元模擬分析，以考察其內(nèi)力的分布情況和破壞機(jī)理。節(jié)點(diǎn)梁端剪力與豎向位移的P-Δ曲線如圖6所示（以JD-1為例）。

圖6 單調(diào)加載荷載位移曲線

根據(jù)單調(diào)加載的荷載位移曲線確定的Py、Δy、Pmax、Δu如表2所示，表中柱截面剛度（EI）c按《鋼管混凝土技術(shù)規(guī)程》[11]取為:

式中：Es、Ec——柱截面鋼管和混凝土的彈性模量Is、Ic——柱截面鋼管部分和混凝土部分的慣性矩通過分析圖6、表2中數(shù)據(jù)可以得到以下結(jié)論：

（1）單調(diào)加載下的荷載位移曲線均可以分為上升、水平和下降三個階段，反映出節(jié)點(diǎn)在加載過程中經(jīng)歷了彈性階段、屈服強(qiáng)化階段和破壞階段。荷載位移曲線光滑，沒有明顯的拐點(diǎn)。

（2）節(jié)點(diǎn)屈服承載力、極限承載力隨著梁柱截面尺寸的不同有很大的差異，JD-2號節(jié)點(diǎn)屈服荷載和極限承載力均為最大，其值約是JD-4號節(jié)點(diǎn)的2.5倍。與梁截面尺寸相比，柱截面尺寸對節(jié)點(diǎn)性能的影響要小得多，表現(xiàn)在相同梁截面尺寸相同而柱截面尺寸不同的JD-3與JD-4具有相當(dāng)?shù)那奢d、位移以及破壞位移，而柱截面相同梁截面不同的JD-2與JD-5在屈服荷載、位移及極限荷載上差別很大。

表2 單點(diǎn)加載荷載位移曲線特征值

（3）節(jié)點(diǎn)屈服承載力、極限承載力與鋼梁截面積成正比，鋼梁截面積越大，節(jié)點(diǎn)屈服承載力和極限承載力越高。

3.2 節(jié)點(diǎn)破壞機(jī)理分析

單調(diào)加載過程中，隨著荷載增大，靠近節(jié)點(diǎn)的梁端翼緣截面先進(jìn)入塑性，隨著荷載的繼續(xù)增大，塑性區(qū)域在梁的上下翼緣逐步發(fā)展，隨后在與梁連接的上下加強(qiáng)環(huán)板的部分區(qū)域屈服，但是塑性的發(fā)展區(qū)域有限；塑性在梁翼緣完全發(fā)展后，塑性在梁端腹板區(qū)域繼續(xù)發(fā)展，直到整個梁端截面均發(fā)展為塑性。

造成以上現(xiàn)象的原因?yàn)椋汗?jié)點(diǎn)的柱剛度遠(yuǎn)大于鋼梁剛度，雖然在節(jié)點(diǎn)域設(shè)有加強(qiáng)環(huán)，但梁是斷開的，而柱是貫通的，所以在荷載作用下梁端截面達(dá)到屈服，整個過程中鋼管混凝土柱及節(jié)點(diǎn)域仍處在彈性階段，塑性區(qū)域主要在梁端發(fā)展，直到形成塑性絞或局部屈曲，節(jié)點(diǎn)的最終破壞均為梁端破壞。

4 往復(fù)荷載作用下節(jié)點(diǎn)滯回性能有限元分析

加載制度：首先向節(jié)點(diǎn)模型施加重力加速度，同時(shí)在柱頂施加大小為μP0的軸向壓力，荷載持續(xù)一段時(shí)間后再在梁端施加往復(fù)荷載，荷載位移幅值如圖7所示。在往復(fù)加載時(shí)各節(jié)點(diǎn)采用了相同的位移幅值和循環(huán)次數(shù)。

4.1 往復(fù)荷載作用下的荷載與位移（P-Δ）曲線

滯回曲線能夠充分反應(yīng)節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度、剛度、延性和耗能能力等方面的力學(xué)特征，是分析節(jié)點(diǎn)抗震性能的重要依據(jù)。滯回環(huán)飽滿程度及所圍面積表征構(gòu)件耗能能力。往復(fù)荷載作用下各節(jié)點(diǎn)的梁端荷載-位移滯回曲線如圖8所示（以JD-1為例）。

通過分析各節(jié)點(diǎn)荷載位移曲線，可以得到以下結(jié)論：

圖7 往復(fù)加載制度

圖8 往復(fù)荷載作用下節(jié)點(diǎn)荷載位移曲線

（1）在加載初期，節(jié)點(diǎn)處于完全彈性狀態(tài)，滯回曲線直線上升，卸載時(shí)沒有殘余變形，第一個加載循環(huán)形成的滯回環(huán)不明顯，隨著循環(huán)荷載幅值大于節(jié)點(diǎn)屈服荷載后，節(jié)點(diǎn)滯回曲線飽滿呈梭形，說明所研究的加強(qiáng)環(huán)式鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)具有良好的滯回耗能能力。

（2）節(jié)點(diǎn)剛度退化趨勢與單調(diào)加載時(shí)荷載位移曲線強(qiáng)化階段的長度有關(guān)系，節(jié)點(diǎn)JD-1強(qiáng)化階段最長，在往復(fù)荷載下其剛度退化最小。

4.2 節(jié)點(diǎn)抗震指標(biāo)分析

滯回曲線的包絡(luò)線稱為骨架曲線，是每次循環(huán)加載達(dá)到的峰值的軌跡，由往復(fù)荷載作用下的節(jié)點(diǎn)滯回曲線得到節(jié)點(diǎn)滯回曲線的骨架曲線，如圖9所示（以JD-1為例），各節(jié)點(diǎn)的骨架曲線均呈倒S形，表明節(jié)點(diǎn)在低周反復(fù)荷載作用下都經(jīng)歷了較為典型的彈性、塑性和極限破壞三個受力階段。

圖9 節(jié)點(diǎn)骨架曲線

4.3 延性系數(shù)

延性系數(shù)是衡量節(jié)點(diǎn)在屈服之后、破壞之前的塑性變形能力的指標(biāo)，是評價(jià)節(jié)點(diǎn)抗震性能的重要參數(shù)。本文采用位移延性系數(shù)來評價(jià)節(jié)點(diǎn)的抗震性能，其表達(dá)式見式（4）。

式中：

Δy——節(jié)點(diǎn)屈服位移

Δu——節(jié)點(diǎn)極限位移

各節(jié)點(diǎn)的延性系數(shù)如表3所示。從表中可以看出：各節(jié)點(diǎn)的延性系數(shù)均＞3.0，說明各節(jié)點(diǎn)延性良好。

4.4 節(jié)點(diǎn)耗能指標(biāo)

在地震作用下，節(jié)點(diǎn)不僅需要有足夠的承載力和延性，還要具備相當(dāng)耗能能力，才能保證節(jié)點(diǎn)在往復(fù)內(nèi)力作用下不發(fā)生破壞。節(jié)點(diǎn)在往復(fù)荷載作用下的滯回曲線的飽滿程度，可以直接反應(yīng)節(jié)點(diǎn)的耗能能力，具體計(jì)算時(shí)采用滯回曲線所包圍的圖形面積來度量。常用的衡量節(jié)點(diǎn)耗能能力的指標(biāo)有能量耗散系數(shù)E和等效粘滯阻尼系數(shù)he。

通過分析表4中數(shù)據(jù)可知，各節(jié)點(diǎn)等效粘滯系數(shù)均＞0.4，節(jié)點(diǎn)的耗能能力與節(jié)點(diǎn)的極限承載力并無直接關(guān)系，極限承載力較低的JD-3表現(xiàn)出了比承載力更高的JD-5更強(qiáng)的耗能能力。

5 結(jié)論

（1）單調(diào)加載下的強(qiáng)柱弱梁型框架梁柱節(jié)點(diǎn)的承載力主要取決于框架梁的高度、截面面積、翼緣寬度和承載力。

（2）荷載增大，梁端截面先進(jìn)入塑性，塑性區(qū)域主要在梁的翼緣、腹板區(qū)域發(fā)展，節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)板件屈服區(qū)域有限，節(jié)點(diǎn)的破壞發(fā)生在梁端。

（3）在節(jié)點(diǎn)從開始受力到節(jié)點(diǎn)破壞的完整過程中框架柱和節(jié)點(diǎn)域處于彈性階段，對于窯尾框架梁柱節(jié)點(diǎn)，柱截面參數(shù)對節(jié)點(diǎn)影響較小。

表3 往復(fù)荷載位移曲線特征值

表4 節(jié)點(diǎn)耗能指標(biāo)

（4）加強(qiáng)環(huán)式鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)具有良好的延性和耗能性能，各節(jié)點(diǎn)的延性系數(shù)均＞3.0，等效粘滯系數(shù)＞0.4，可以看出節(jié)點(diǎn)具有良好的抗震性能。

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The Seismic Performance Estimation of Preheater Frame Structural System Joints

WANG Qingjiang
(Tianjin cement industry design&research institute,Tianjin 300400)

TU398.9

A

1001-6171（2017）05-0071-07

2017-03-28； 編輯：趙 蓮