彭軍PENG Jun；王海任WANG Hai-ren；李翔宇LI Xiang-yu

（①榆林學(xué)院建筑工程學(xué)院，榆林 719000；②榆林市榆陽區(qū)自然資源調(diào)查與規(guī)劃中心，榆林 719000）

0 引言

上世紀(jì)70年代起，我國開展了對煤矸石的綜合利用工作，煤矸石綜合利用產(chǎn)品可替代一次性建材資源，同時減少煤炭的開采和使用量，達(dá)到具有節(jié)約資源能源和降低碳排放的綜合效應(yīng)，因此在建筑建材領(lǐng)域的應(yīng)用占比越來越高。鋼管混凝土具有強度高，塑性、韌性好，承載能力強性能，在鋼管中填充煤矸石混凝土替代普通混凝土，從含鋼率、軸壓比、截面尺寸等不同參數(shù)開展方鋼管煤矸石混凝土梁柱節(jié)點受雙向彎矩循環(huán)荷載作用下的性能研究的抗震性能分析，同時更進(jìn)一步考慮焊縫強度的影響，更能反映方鋼管煤矸石混凝土結(jié)構(gòu)在遇到地震荷載時梁柱節(jié)點的受力能力變化，在方鋼管煤矸石混凝土的抗震應(yīng)用具有重要意義。

1 材料參數(shù)與構(gòu)件尺寸

1.1 鋼材的本構(gòu)關(guān)系模型

依據(jù)鋼材在往復(fù)循環(huán)荷載作用下的特點，本文選取雙線性模型建立方鋼管煤矸石混凝土的鋼材骨架線，即彈性段和強化段，來模擬鋼材的彈塑性階段。在雙線性模型中，彈性段采用初始彈性模量E，強化段彈性模量為0.01E。本文對鋼材、焊縫采用多線性隨動強化本構(gòu)模型，以考慮在循環(huán)荷載作用下鋼材的Bauschinger效應(yīng)。

1.2 核心煤矸石混凝土的本構(gòu)關(guān)系

鋼管對核心煤矸石混凝土有約束作用，屬于三向受壓狀態(tài)。由于關(guān)于鋼管混凝土的滯問性能的研究較少，同時，對其核心應(yīng)力應(yīng)變滯回本構(gòu)曲線的研究仍然處于空白，本文采用鋼管輕集料混凝土中核心輕集料混凝土的本構(gòu)關(guān)系模型對鋼管煤矸石混凝土柱煤矸石混凝土梁進(jìn)行研究。同時，還要考慮煤矸石混凝土在由荷載方向改變時形成的剛度退化以及裂面咬合效應(yīng)等因素，本文則通過定義ABAQUS中的混凝土塑性損傷（Concrete Plastic Damage）模型來模擬。

《輕骨料混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定了輕集料混凝土受壓時的應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系曲線按以下公式取用：

當(dāng)ε0＜ε≤εcu時，σc=fc

1.3 構(gòu)件尺寸

試件鋼管采用Q235鋼材，fy=235N/mm2，Es=2.1×105，泊松比取0.3。鋼管內(nèi)填充C30煤矸石混凝土，其中煤矸石摻量為15%，水膠比為0.3，砂率為45%?？紤]到地震作用時梁和柱反彎點位置分別位于柱中點和梁跨中點，進(jìn)行有限元分析的試件中梁取半跨，懸臂梁端至柱中心取1.15m，上下柱各取層高的一半，柱高取3.3m，具體試件尺寸參數(shù)見表1和圖1。

表1 試件尺寸參數(shù)

為了研究焊縫屈服強度受雙向彎矩在循環(huán)荷載作用下對節(jié)點性能的影響，設(shè)計了GCS系列試件，梁柱連接焊縫取不同的值，其余參數(shù)保持不變，共有3個試件，各試件的焊縫屈服強度見表2。

表2 GCS系列試件對接焊縫屈服強度

2 有限元模型的建立

2.1 單元類型選取

本文采用S4R殼單元模擬鋼管和鋼梁，因為與長度相比，結(jié)構(gòu)的寬度相對較小，采用這種結(jié)構(gòu)模型可以極大降低計算繁雜度，提高模擬速度，可以較好地模擬出材料的塑性性能與材料受力后的應(yīng)力等多種特征。采用C3D8R單元模擬方鋼管柱內(nèi)的煤矸石混凝土，此單元為8個節(jié)點的線性實體，縮減積分，同時考慮沙漏控制，而且可以輸入混凝土壓縮與拉伸損傷的功能選項，可以更好地反映鋼管混凝土在受復(fù)雜荷載作用時的應(yīng)力-應(yīng)變損傷情況。蓋板尺寸為400×400×25，相對構(gòu)件來說剛度要大很多，采用8個節(jié)點六面體線性縮減積分單元模擬，其彈性模量取為1×1012MPa，泊松比取為0.0001。

2.2 界面模型設(shè)定

模擬鋼管與煤矸石核心混凝土的界面模型處理至關(guān)重要，鋼管與煤矸石法線方向采用硬接觸，可以通過界面法向的接觸單元傳遞壓力，切線方向采用粘結(jié)滑移，即庫侖摩擦模型。除此之外，還有鋼梁和加載板、蓋板與混凝土、鋼管與蓋板之間的接觸。

2.3 邊界條件設(shè)定及加載方式

本文中邊界條件：由于鋼管柱長徑比為5，所以假設(shè)不考慮失穩(wěn)效應(yīng)。鋼管柱頂端、底端均按支座鉸接模擬，鋼梁遠(yuǎn)離節(jié)點區(qū)的兩側(cè)、兩端中心點上約束其豎向位移來模擬兩端與剛性支桿的鉸接，加載方案如圖1所示，先在柱頂施加軸力當(dāng)施加至預(yù)定軸力穩(wěn)定后在梁端施加對稱集中力。

首先，根據(jù)軸壓比的大小，在柱頂端施加軸向荷載加至軸力穩(wěn)定。第二，在保證軸壓比不變的條件下，在梁端施加低周往復(fù)荷載。梁端施加的豎向位移按△y/2、△y、2△y、3△y、4△y…的位移控制加載方式進(jìn)行，每級位移循環(huán)一次，直至試件破壞。

2.4 破壞準(zhǔn)則的確定

為了模擬煤矸石的延性破壞，在有限元的材料模型中采用下降的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。在外荷載作用下，若構(gòu)件的某一截面的單元應(yīng)力同時達(dá)到下降段，截面形成塑性鉸，這時構(gòu)件整體剛度矩陣為負(fù)，程序在求解有限元方程時就會出錯，表明構(gòu)件破壞，求解過程結(jié)束，具體表現(xiàn)為輸出結(jié)果中荷載-位移曲線出現(xiàn)下降段。

3 有限元結(jié)果分析

3.1 受力性能分析

梁柱節(jié)點對接焊縫取不同的設(shè)計強度，用以研究在雙向彎矩作用下焊縫屈服強度對節(jié)點性能的影響。從單調(diào)荷載下的變形曲線如圖2可以看出，GCS系列試件的荷載-位移曲線彈性階段基本重合，各個試件的變形能力有所不同，焊縫屈服強度比較高的試件其延性比較好，但當(dāng)焊縫屈服強度高到一定值后，焊縫屈服強度提高和試件的延性增加不明顯。

3.2 骨架曲線對比分析

骨架曲線是將P－△滯回曲線中加載級的第一循環(huán)峰值點所連成的，即滯回曲線的包絡(luò)線。它能夠更直觀地反映結(jié)構(gòu)的強度、變形等性能。圖3為GSC試件在循環(huán)荷載作用下的骨架曲線和割線剛度退化曲線。從圖可以看出，骨架曲線沒有出現(xiàn)明顯的下降段；從結(jié)構(gòu)的彈性剛度方面看，GSC1試件的彈性剛度為4.554kN/mm，隨著焊縫屈服強度的增大，節(jié)點的彈性剛度逐漸減小，GSC3試件的彈性剛度為4.31kN/mm；GSC1試件的彈性剛度與GSC3相比增大幅度超過了106%。另外從圖中還可以看出，BASE試件和GSC3試件割線剛度退化速度較為一致，而GSC1試件剛度退化速度較其它兩個試件快。

3.3 焊縫強度的影響

從滯回曲線、剛度退化等結(jié)果可知對接焊縫的強度對連接的整體強度、剛度和延性的影響不很顯著，為了能更詳細(xì)地分析焊縫屈服強度的變化對焊縫受力性能的影響，文中主要分析沿梁翼緣長度方向焊縫正應(yīng)力、剪應(yīng)力、Y方向應(yīng)力和Z方向應(yīng)力的分布情況，如圖4為STRW系列試件梁翼緣對接焊縫的應(yīng)力分布圖，從圖上清楚地可以看到，對接焊縫的彎曲正應(yīng)力在靠近梁翼緣邊緣處隨焊縫強度的提高彎曲正應(yīng)力增大，靠近梁中間焊縫強度的提高而彎曲正應(yīng)力變化不大；Y方向應(yīng)力分布則是越靠近梁中間應(yīng)力變化越明顯，隨焊縫強度的提高Y方向的應(yīng)力在不斷地減小，而在靠近梁翼緣處Y方向的應(yīng)力值基本不變；Z方向應(yīng)力的變化也同樣是在中間變化顯著，只是隨焊縫強度的提高而變大，在兩端曲線基本重合。提高焊縫屈服強度雖然可以改善焊縫的三項應(yīng)力狀態(tài)及降低焊縫的剪應(yīng)力比例，但幅度很有限。

4 結(jié)論

①本文采用的有限元梁柱節(jié)點模型可較好地應(yīng)用于節(jié)點設(shè)計，滿足“強柱弱梁”設(shè)計要求。②本文所研究的方鋼管煤矸石混凝土梁柱節(jié)點能夠完成豎向位移的循環(huán)，破壞前強度和剛度也沒有明顯降低，滯回性能穩(wěn)定，具有良好的耗能性和延性。③對與不同對接焊縫屈服強度進(jìn)行有限元分析，對接焊縫的強度對連接的整體強度、剛度和延性的影響不很顯著，構(gòu)件軸壓比越大，焊縫強度強度高的，結(jié)構(gòu)延性好，剛度退化慢，承載力高。