吳小滿，董錦坤，王 靜

軸壓比對鋼筋混凝土框架節(jié)點抗震性能的影響

吳小滿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 121000；2.浙江建設職業(yè)技術(shù)學院建筑工程學院，浙江 杭州 310000）

利用大型有限元軟件ABAQUS及有限元分析方法，應用鋼筋混凝土框架節(jié)點的建模方法，研究了軸壓比對節(jié)點抗震性能的影響。根據(jù)ABAQUS軟件建立了試件模型，通過骨架曲線、耗能能力、滯回曲線等多個角度來研究低周反復循環(huán)加載對節(jié)點的抗震性能影響。軸壓比越大鋼筋混凝土框架節(jié)點抗震性能越好。

有限元；建模方法；抗震性能；軸壓比

在鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)中，節(jié)點是結(jié)構(gòu)破壞的核心部位，是抗震體系中的關鍵環(huán)節(jié)，承受并分配梁和柱傳來的力，對整個結(jié)構(gòu)的整體性、安全性和穩(wěn)定性具有極其重要的作用。但是目前對影響節(jié)點抗震性能的許多影響因素尚不明確。在地震等荷載作用下，只有明確了這些因素對節(jié)點受力機理的影響才能真正做到“強節(jié)點”。由于試驗研究需要花費大量人力、物力和時間，并且試驗研究又受各種因素的影響比較大，往往測量的數(shù)據(jù)和內(nèi)容有限。本文以鋼筋混凝土框架邊節(jié)點為研究對象，通過3組不同軸壓比的試件研究了軸壓比對鋼筋混凝土框架節(jié)點抗震性能的影響。

1 有限元模型

本次有限元分析的試件是以某試驗中用于探討節(jié)點受力性能所用的試件，結(jié)合《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2010)[1]和《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》(GB 50010—2010)[2]的相關要求，以及參照文獻[3]確定試件尺寸和配筋，如圖1所示。

圖1 試件的尺寸及配筋

通過ABAQUS創(chuàng)建模型的基本步驟，最終建立的模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

2 加載方式

采用控制位移加載法進行低周反復循環(huán)加載[4]，取梁端屈服位移為1.75 mm。對于試件KJ-1、KJ-2、KJ-3，在KJ-1柱子上端施加恒定的荷載=152.88 kN，軸壓比為0.2；在KJ-2柱子上端施加恒定的荷載=229.20 kN，軸壓比為0.3；在KJ-3柱子上端施加恒定的荷載=305.6 kN，軸壓比為0.4。然后在梁端部施加低周反復荷載，同時制定具體加載方式如圖3所示。

圖3 加載方式

3 結(jié)果分析

3.1 滯回曲線

通過對試件KJ-1、KI-2、KJ-3提取的滯回曲線、骨架曲線、耗能能力、位移延性、承載力退化等進行分析，來討論軸壓比大小對節(jié)點抗震耗能能力、變形特征、剛度退化等性能的影響。得到的滯回曲線如圖4所示。

圖4 滯回曲線

通過圖4各試件的滯回曲線可知，軸壓比越大，滯回曲線越飽滿，并且極限位移、極限荷載和循環(huán)次數(shù)也都有一定的提高。試件KJ-1的滯回曲線不飽滿，略扁長，且有捏攏現(xiàn)象，呈現(xiàn)出反S狀。試件KJ-2、KJ-3滯回曲線形狀大致相同，形態(tài)飽滿呈梭形，抗震性能和耗能能力較強且塑性變形能力也較強。

3.2 骨架曲線

通過Origin軟件對試件KJ-1、KJ-2、KJ-3形成的滯回曲線數(shù)據(jù)進行整理，分別取其最大值，然后再表示為荷載與位移的關系曲線，各試件的骨架曲線如圖5所示。

圖5 骨架曲線

試件KJ-1、KJ-2、KJ-3骨架曲線的縱坐標最大極限荷載和骨架曲線包圍面積依次增加，但試件KJ-1、KJ-2、KJ-3的循環(huán)次數(shù)都相差不大。這表明，在一定的限制范圍內(nèi)，軸壓比越大，對于節(jié)點核心區(qū)混凝土的約束作用就越強，從而對于節(jié)點核心區(qū)的抗剪承載力、耗能能力以及變形都有提高，從而提高了節(jié)點的抗震性能。

3.3 耗能能力

表1為各試件的耗能能力。

表1 各試件的耗能能力 kN·mm

試件編號耗散能應變能 KJ-11170.413409.33 KJ-21698.374105.65 KJ-32008.935237.06

通過有限元分析，試件KJ-1、KJ-2、KJ-3所耗散的能量和吸收的能量依次增加。在梁筋屈服時，軸壓比增大可以相應減小節(jié)點核心區(qū)箍筋的應力，從而使得箍筋在組合體中發(fā)揮更大的約束能力，提高節(jié)點的抗震性能。

3.4 位移延性

表2為KJ-1、KJ-2、KJ-3試件的位移延性。

表2 各試件的位移延性

試件編號Δy/mmΔu/mm位移延性 KJ-19.3718.912.02 KJ-210.2323.782.32 KJ-37.7923.893.07

通過對表2分析可以發(fā)現(xiàn)，軸壓比對框架邊節(jié)點的位移延性有著顯著的影響，各個試件的屈服位移、極限位移、位移延性系數(shù)隨著Δ值的增加均有所增大。軸壓比越大時，節(jié)點的延性性能越好。

3.5 承載力退化

表3為KJ-1、KJ-2、KJ-3各試件的承載力退化情況。

表3 各試件承載力降低指數(shù)

試件編號Δy2Δy3Δy KJ-10.9790.910 KJ-20.9870.935 KJ-30.9490.9460.910

通過有限元分析可知，在梁筋屈服時，軸壓比增大可以相應減小節(jié)點核心區(qū)箍筋的應力。鋼筋混凝土框架節(jié)點因混凝土受到的約束作用越強，抗剪承載力也就越大。隨著Δ的增加，構(gòu)件的承載力逐漸退化，但當Δ=3時，試件KJ-1和KJ-2已經(jīng)破壞，試件KJ-3的承載力降低系數(shù)盡管比較小，但承載力退化仍然繼續(xù)。從而可知軸壓比越大，構(gòu)件的承載力退化速率越緩慢。

4 結(jié)論

根據(jù)有限元分析，對滯回曲線、骨架曲線、耗能能力、位移延性、承載力退化等規(guī)律進行歸納和總結(jié)，得出如下結(jié)論。

(1)軸壓比越大，滯回曲線越飽滿，并且極限位移、極限荷載和循環(huán)次數(shù)也都有一定的提高。當形態(tài)飽滿呈梭形時，抗震性能和耗能能力較強，并且塑性變形能力也較強。

(2)軸壓比對框架邊節(jié)點的位移延性有著顯著的影響，各個試件的屈服位移、極限位移、位移延性系數(shù)隨著軸壓比的增加均有所增大。

(3)軸壓比越大，對節(jié)點核心區(qū)混凝土的約束作用就越強，節(jié)點核心區(qū)的剪切變形就越小，并且耗能能力也有提高，越有利于節(jié)點抗震。

[1] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部. GB 50011—2010. 建筑抗震設計規(guī)范[S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2010.

[2] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部. GB 50017—2003. 鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范[S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2003.

[3] 張軍偉, 高丹盈, 朱海堂, 等. 軸壓比對鋼纖維高強混凝土框架節(jié)點抗震性能的影響[J]. 東南大學學報: 自然科學版, 2010, 40(S2): 66-71.

[4] 框架節(jié)點專題組. 低周反復荷載作用下鋼筋混凝土框架梁柱節(jié)點核心區(qū)抗剪強度的實驗研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學報, 1983, 25(6): 17-21.

[5] 袁賢訊, 易偉建. 鋼筋混凝土框架“強柱弱梁”及軸壓比限值的概率分析[J]. 重慶建筑大學學報, 2000,22(3): 64-68.

Effect of Axial Compression Ratio on Seismic Behavior of Reinforced Concrete Frame Node

WU Xiao-man1, 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 large finite element software ABAQUS and the finite element analysis method are used. and the modeling method of the reinforced concrete frame node is discussed. the axial compression ratio on the seismic performance is mainly studied in this paper, the specimen model is established based on ABAQUS software, and the low reversed cyclic loading is established, its seismic performance of the node is studied by skeleton curves, energy dissipation capacity, hysteretic curves, from various angles.It is concluded that the larger the axial compression ratio, the better the seismic behavior of reinforced concrete frame node.

finite element; modeling method; seismic performance; axial compression ratio

10.15916/j.issn1674-3261.2021.06.013

TU375.4；TU352.11

A

1674-3261(2021)06-0409-04

2020-11-08

遼寧省高校基本科研項目(JFL201715402)

吳小滿(1997-)，女，山東濟寧人，碩士生。

董錦坤(1969-)，男，遼寧凌海人，教授，博士。

責任編輯：孫 林