龍思宇，張 杰

(西南交通大學(xué)，四川成都 610031)

TOD模式作為解決城市發(fā)展中用地緊張和交通擁堵問題的辦法之一，越來越多地被應(yīng)用到城市建設(shè)中。該模式地下部分通常為柱網(wǎng)較疏的地鐵車輛基地，地面以上為小開間的商業(yè)住宅區(qū)，柱網(wǎng)較密。為了滿足建筑的使用功能和經(jīng)濟(jì)性要求，需要設(shè)置含有梁柱尺寸完全不同的SRC異型節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換層。軸壓比作為影響型鋼混凝土節(jié)點(diǎn)抗震性能的重要因素之一，國(guó)內(nèi)外已有許多相關(guān)研究，并取得了一些重要成果。日本學(xué)者KoichiMinami[1]對(duì)SRC邊節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了低周往復(fù)荷載試驗(yàn)，研究了軸壓比對(duì)其抗震性能的影響；趙鴻鐵[2]等進(jìn)行了多個(gè)SRC梁柱節(jié)點(diǎn)的擬靜力試驗(yàn)，研究了不同軸壓比下配鋼形式對(duì)SRC節(jié)點(diǎn)受力性能的影響；鄭山鎖[3]等進(jìn)行了5個(gè)型鋼高強(qiáng)混凝土框架中節(jié)點(diǎn)的低周反復(fù)荷載試驗(yàn)研究，研究了不同軸壓比下節(jié)點(diǎn)的受力特點(diǎn)，破壞形式；邢國(guó)華[4]對(duì)鋼筋混凝土變梁異型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)研究，分析了軸壓比對(duì)其受力性能的影響。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)該類異型節(jié)點(diǎn)的研究還不夠深入，為了研究軸壓比對(duì)其承載能力和延性的影響，設(shè)計(jì)了一組型鋼混凝土異型節(jié)點(diǎn)模型，施加0、0.2、0.4、0.6和0.8的軸壓比，利用Abaqus對(duì)其進(jìn)行單調(diào)加載數(shù)值模擬。

1 節(jié)點(diǎn)模型

1.1 節(jié)點(diǎn)尺寸

根據(jù)實(shí)際工程，按照1∶4縮尺，設(shè)計(jì)了型鋼混凝土異型節(jié)點(diǎn)模型。模型尺寸及配筋見表1。

表1 節(jié)點(diǎn)尺寸配筋

(a)混凝土網(wǎng)格劃分

1.2 節(jié)點(diǎn)有限元模型

模型中混凝土采用實(shí)體單元，網(wǎng)格大小40；型鋼采用實(shí)體單元，網(wǎng)格大小為40；鋼筋采用梁?jiǎn)卧?，網(wǎng)格大小為20。不考慮鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)滑移，型鋼和混凝土采用一個(gè)part導(dǎo)入，分別賦予不同材料。節(jié)點(diǎn)模型如圖1所示。

1.3 邊界條件及加載制度

為保證各構(gòu)件能同時(shí)達(dá)到極限承載力，按照上下柱轉(zhuǎn)角相等的原則，采用上下柱同時(shí)施加相反方向位移荷載的加載制度，同時(shí)在上柱頂部施加相應(yīng)軸壓比軸力。節(jié)點(diǎn)左梁施加X、Y、Z三個(gè)方向平動(dòng)約束，下柱和右梁釋放X方向平動(dòng)自由度約束；上柱釋放X、Z方向平動(dòng)約束；所有構(gòu)件均釋放繞Y方向的轉(zhuǎn)動(dòng)約束(圖2)。節(jié)點(diǎn)編號(hào)及施加軸壓比見表2。

圖2 邊界條件及加載

表2 節(jié)點(diǎn)編號(hào)及軸壓比

1.4 材料

在Abaqus中混凝土采用混凝土損傷塑性模型，該模型使用各向同性損傷彈性結(jié)合各向同性拉伸和壓縮塑性的模式來表示混凝土的非彈性行為[5]，是一個(gè)基于塑性的連續(xù)介質(zhì)損傷模型，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，其本構(gòu)關(guān)系采用規(guī)范[6]給出的公式計(jì)算，其應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示。鋼筋和型鋼的本構(gòu)均采用規(guī)范給出的雙折線模型，型鋼材料為Q345，鋼筋為HRB335，所有材料強(qiáng)度均取標(biāo)準(zhǔn)值。

圖3 混凝土單軸應(yīng)力應(yīng)變曲線

2 有限元分析結(jié)果

2.1 節(jié)點(diǎn)抗剪承載力計(jì)算

取節(jié)點(diǎn)核心區(qū)上半部分為隔離體，依據(jù)平衡方程求得，按公式(1)計(jì)算。其中Vj為核心區(qū)剪力；Ft為RC梁截面上側(cè)傳到核心區(qū)的拉力；Fc為SRC梁上側(cè)傳到核心區(qū)的壓力；ll，lr分別SRC梁和RC梁計(jì)算長(zhǎng)度；Fl，F(xiàn)r，F(xiàn)u分別為SRC梁、RC梁、RC柱支反力；h1與h2分別為SRC梁、RC梁截面有效高度。

Vj=Fu-Ft-Fc

Ft=Frlr/h1

(1)

Fc=Flll/h2

提取各節(jié)點(diǎn)各構(gòu)件的支座反力，代入式(1)計(jì)算得各節(jié)點(diǎn)抗剪承載力見表3及圖4，節(jié)點(diǎn)破壞時(shí)中面混凝土的應(yīng)力云圖見圖5。

表3 節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪力計(jì)算表 kN

圖4 不同軸壓比節(jié)點(diǎn)核心區(qū)承載力示意

由圖4可以看出，隨著軸壓比的提高，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗剪承載力增加。這是由于上柱軸力增加，傳入核心區(qū)的豎向壓力增大。使核心區(qū)混凝土主壓應(yīng)力方向受壓增大，斜壓桿變強(qiáng)，而主拉應(yīng)力方向拉力被削弱，限制了混凝土的開裂，更利于核心區(qū)混凝土抗剪。其破壞模式由圖5可見，軸壓力增大，核心區(qū)斜壓桿寬度增加，最大壓應(yīng)力的分布區(qū)域也更明顯，軸壓比達(dá)0.8時(shí)幾乎整個(gè)核心區(qū)都在受壓。可見軸壓比的增加，使斜壓桿抗剪效應(yīng)增強(qiáng)。

對(duì)比圖5，圖6可以看出，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)型鋼腹板大部分已經(jīng)屈服，此時(shí)混凝土應(yīng)力還未達(dá)到抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)型鋼的抗剪能力已經(jīng)得到充分發(fā)揮，可以認(rèn)為節(jié)點(diǎn)抗剪承載力變化主要是由混凝土斜壓桿引起的。

2.2 節(jié)點(diǎn)延性

模型上柱的力-位移曲線如圖7所示，可以看到，不同軸壓比下，力—位移曲線的總體趨勢(shì)是一致的，但隨著軸壓比的增大，上柱的極限承載力逐漸增大，后期承載力下降也更加明顯。

根據(jù)公式(2)計(jì)算得到節(jié)點(diǎn)的延性系數(shù)，結(jié)果見表4。其中μΔ為延性系數(shù)，Δu為極限位移，Δy為屈服位移。

(2)

(a)JD-1

(a)JD-1

圖7 節(jié)點(diǎn)上柱力-位移曲線

表4 延性系數(shù)計(jì)算結(jié)果

由表4可以看出，當(dāng)施加軸壓力后，節(jié)點(diǎn)的屈服位移明顯增加，但隨著軸壓比的增大，極限位移逐漸減小，延性系數(shù)減小，節(jié)點(diǎn)的延性降低。延性作為衡量結(jié)構(gòu)抗震性能的根據(jù)之一，其減小對(duì)節(jié)點(diǎn)的抗震是不利的。

3 結(jié)論

(1)在本文討論的參數(shù)變化范圍內(nèi)，隨著軸壓比增大，混凝土斜壓桿參與分擔(dān)的剪力更多，節(jié)點(diǎn)的抗剪承載力將增大。

(2)隨著軸壓比的增大，節(jié)點(diǎn)的抗剪承載能力雖然有所提高，但其延性將會(huì)降低，對(duì)抗震性能產(chǎn)生不利影響。