李 鑫，汪小平

(江西理工大學 土木與測繪工程學院，江西 贛州 341000)

0 前 言

中空夾層鋼管混凝土柱是由內(nèi)外兩個鋼管相套，中間空隙灌注混凝土而成的一種構件，跟傳統(tǒng)鋼管混凝土柱相比，其自重更輕、耐火性能抗震性能也更強，適用于多種建筑結構中[1]，近年來，一些學者針對中空夾層鋼管混凝土鋼梁節(jié)點做了一些研究。文獻[2]中制作了9組中空夾層鋼管混凝土柱鋼梁節(jié)點進行滯回性能試驗，根據(jù)不同參數(shù)深入研究節(jié)點的滯回曲線，骨架曲線，彎矩-轉角曲線分析了對節(jié)點承載力、延性、剛度以及耗能性能的影響規(guī)律，文獻[3]進行了中空夾層鋼管混凝土柱與鋼-混凝土組合梁節(jié)點抗震性能試驗，文獻[4]進行了9個圓套圓鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點節(jié)點的有限元建模分析其抗震性能，文獻[5]采用試驗方法研究了4個圓中空夾層柱單邊螺栓連接組合節(jié)點的力學性能。

根據(jù)以往上述研究可以發(fā)現(xiàn)，對于中空夾層鋼管混凝土柱鋼梁節(jié)點的研究目前相對來說較少，主要集中于端板型、單邊螺栓型，這類力學性能良好但應力集中現(xiàn)象明顯，構造復雜且大多為圓套圓鋼管混凝土柱子，對于加強環(huán)應用于此類節(jié)點的研究僅見到文獻[6]，而傳統(tǒng)加強環(huán)節(jié)點是鋼梁直接與加強環(huán)板上下直接對接焊接固定，此種方式容易造成承載力的下降，破環(huán)較早，且塑性鉸出現(xiàn)在節(jié)點核心區(qū)，即節(jié)點區(qū)容易破壞[7]。

為了進一步研究中空夾層鋼管混凝土柱鋼梁節(jié)點的抗震性能，本文運用ABAQUS設計了一種帶加強環(huán)的中空夾層方套圓鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點，并對比分析了另外兩種中空節(jié)點的力學性能，為今后此類節(jié)點的應用與研究提供了參考。

1 有限元模型的建立

1.1 節(jié)點設計

根據(jù)相關規(guī)范[8-9]共設計了3種節(jié)點試件，試件模型以框架結構中柱節(jié)點為依據(jù)，為加快計算速度，模型按1∶2比例進行縮尺寸建模，柱子高度取1 200 mm,柱頂距離鋼梁上翼緣為475 mm,柱底距離鋼梁下翼緣也為475 mm，梁端距離柱子中心位置為1 000 mm，第一個節(jié)點：鋼梁翼緣與腹板通過焊接形式與鋼管表面連接，命名為YBJD-1；第二個節(jié)點：將插入鋼管柱內(nèi)部的鋼梁切削成圓弧形與內(nèi)鋼管焊接，再與外鋼管接觸的部分焊接，命名為YBJD-2；新型節(jié)點采用加強環(huán)連接，在YBJD-2的基礎上設置加強環(huán)，鋼管與鋼梁之間不進行焊接，僅鋼梁翼緣與加強環(huán)上下環(huán)板重合處進行焊接，之后灌入混凝土，該新型節(jié)點命名為NEWJD-1。

1.2 節(jié)點相關參數(shù)

節(jié)點模型的尺寸參數(shù)如表1所示。

表1 節(jié)點模型的尺寸參數(shù) 單位：mm

加強環(huán)尺寸：上下環(huán)板厚度取12 mm、環(huán)板與梁垂直方向的外伸長度以及沿著梁外伸長度均取125 mm、肋板厚度取8 mm。

1.3 有限元建模方法

應用有限元軟件ABAQUS對三個節(jié)點進行精細化建模，采用TIE綁定約束來模擬焊接，鋼材采用三折線模型，混凝土采用韓林海的適用于約束混凝本構[10]，材料屬性采用文獻[11],采用對于節(jié)點區(qū)域網(wǎng)格進行合理加密劃分，網(wǎng)格單元尺寸為25 mm，加密區(qū)網(wǎng)格設置為18 mm，所有單元均采用8節(jié)點線性減縮積分實體單元(C3D8R)；模型的邊界條件如圖1所示。

圖1 網(wǎng)格劃分與邊界條件設置

1.4 有限元結果分析(見圖2)

(a)YBJD-1

1)YBJD-1節(jié)點破壞模式：由于梁端只與柱外鋼管焊接，循環(huán)加載時梁與柱焊接處的梁翼緣發(fā)生嚴重的疲勞屈曲變形，柱子的外鋼管與混凝土部分發(fā)生剝離現(xiàn)象。

2)YBJD-2節(jié)點破壞模式：柱子的外層方鋼管發(fā)生微小鼓曲現(xiàn)象，梁端翼緣與腹板產(chǎn)生微小屈曲變形，內(nèi)圓鋼管與外方鋼管與混凝土協(xié)同作用良好但節(jié)點核心區(qū)產(chǎn)生了應力集中現(xiàn)象。

3)NEWJD-1節(jié)點破壞模式：節(jié)點柱子的外層四個角處的加強環(huán)產(chǎn)生應力集中柱子無明顯變形現(xiàn)象，梁端翼緣與腹板產(chǎn)生屈曲變形，內(nèi)圓鋼管與外方鋼管與混凝土協(xié)同作用良好，節(jié)點核心區(qū)無應力集中現(xiàn)象。塑性鉸成功外移至梁端處，即梁端先破壞符合“強柱弱梁”的要求。圖3為三種節(jié)點的滯回曲線。

(a)YBJD-1

從圖3滯回曲線可以看出，在同一加載制度下，三種節(jié)點的滯回環(huán)飽滿程度均有差異，新型節(jié)點的曲線所包圍面積最大，耗能最好，YBJD-1的滯回曲線面積較窄，耗能性能較差，三個節(jié)點在加載初期，處于彈性階段，故此曲線呈直線增長，進入塑性階段后，斜率逐漸變緩，承載力增長緩慢，隨著位移加載的增大，承載力沒有明顯增加與下降，表示具有較好的塑性變形能力。圖4為三個節(jié)點的骨架曲線。

圖4 三個節(jié)點的骨架曲線

三種節(jié)點的骨架曲線均呈現(xiàn)S型曲線，明顯程度是NEWJD-1大于YBJD-2大于YBJD-1，三個節(jié)點在彈性階段的差異不大，均是直線增長，NEWJD-1在位移加載初期處于彈性階段，之后隨著幅值的逐漸增大進入彈塑性階段，骨架曲線斜率變緩，YBJD-2由于節(jié)點核心區(qū)出現(xiàn)應力集中使得其承載能力有所降低，由上圖可知，NEWJD-1的極限承載能力最高對于YBJD-1和YBJD-2分別提高了40.787%和17.479%。表2為三種連接方式下節(jié)點的延性系數(shù)。

表2 三種連接方式下節(jié)點的延性系數(shù)

由上述數(shù)據(jù)表明NEWJD-1的承載能力遠遠高于其他兩種節(jié)點，NEWJD-1的延性系數(shù)相對強于YBJD-1、YBJD-2，并且相對增加了130.57%和16.73%，表明新型節(jié)點延性性能比一般節(jié)點的高。

2 結 論

通過有限元軟件ABAQUS對三個不同連接方式的中空夾層鋼管混凝土柱-H鋼梁進行了有限元分析，研究了其滯回曲線、骨架曲線、延性、承載力、這四個方面闡述了三個節(jié)點的抗震性能得到以下結論。

1)三個中空夾層鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點的內(nèi)外鋼管的協(xié)同作用良好，新型節(jié)點通過加強環(huán)成功將塑性鉸外移至兩梁端，滿足“強柱弱梁”要求。NEWJD-1滯回曲線相比于YBJD-1、YBJD-2有著更好的飽滿性，說明該節(jié)點滯回性能良好。

2)新型節(jié)點相較于另外兩個節(jié)點它的承載能力與延性分別提高了130.57%和16.73%。

3)新型節(jié)點將鋼梁貫入鋼管并增加加強環(huán)的做法明顯提高了其節(jié)點的地震能量耗散能力，可為實際工程提供參考。

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