不同加载方式下钢管混凝土角柱节点抗震性能研究
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作者:韩琳 李泉荃
摘 要：通为研究不同加载方式下钢梁-钢管混凝土角柱节点的抗震性能，基于有限元计算软件ABAQUS建立了4个三维实体模型，分别以柱端0度、柱端45度、梁端同向、梁端反向等不同加载方式为控制变量。经过计算分析表明，不同加载方式对试件破坏形态影响较大;柱端加载角度不同对试件滞回性能和承载力影响不大;梁端加载方向不同对试件滞回性能和承载力影响较大。
关键词：钢管混凝土;角柱节点;抗震性能;加载方式
中图分类号：TU375 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2020）01-0115-03
1引言
钢管混凝土构件由于其承载力高、抗震性能优越等特点，被广泛应用于高层和超高层建筑以及桥梁结构中。我国针对钢管混凝土柱-钢梁节点抗震性能的研究已经开展数十年，已经取得丰硕的研究成果、理论及研究方法[1]。现有研究多为平面节点受平面内地震作用的研究，对于空间节点的抗震性能研究还较少。樊健生等[2]完成了3个方钢管混凝土柱-组合梁节点在双向荷载作用下的试验研究。研究表明，与平面节点相比，空间节点在双向荷载作用下，承载力降低超20%，延性降低超10%。
为研究钢管混凝土柱空间节点的抗震性能，本文建立了4个钢管混凝土柱-钢梁角节点有限元模型，研究在不同加载方式下节点的抗震性能。
2 有限元模型
2.1节点设计
本文在某现有框架结构建筑基本尺寸的基础上，选取该建筑角柱节点，柱高取2000mm，梁长度取1500mm，方钢管混凝土柱与H型钢梁间的连接采用由日本学者[3]提出的拼接式外环板，连接方式为焊接，钢材采用Q355级钢，核心混凝土强度等级为C50，并按杨锴提出的“梁柱混合铰”屈服机制，控制柱梁强度比在1.1以上，控制梁柱刚度比在1-4范围内[4]。试件详细尺寸如图1所示，设计柱梁强度比1.25，梁柱刚度比为1.29。控制加载方式分为4种，加载方式1（0°柱端加载，指柱端位移荷载平行于y向梁）;加载方式2（45°柱端加载，柱端位移荷载与x向梁及y向梁成45°角）;加载方式3（梁端施加反向位移荷载）;加载方式4（梁端施加同向位移荷载）。
2.2 有限元模型
根据设计尺寸运用有限元软件Abaqus建立三维实体模型，单元类型为C3D8R，运用Abaqus中的绑定约束模拟焊接，方钢管壁与核心混凝土采用面-面接触属性定义，切向采用罚函数摩擦，摩擦系数取0.6，径向采用“硬”接触，采用弹性模量无限大、泊松比无限小的弹性体模拟加载端板，弹性模量为20000Gpa，泊松比为1E-5。
2.3 材料本构
梁、柱及外环板钢材标号为Q355，本构采用双折线随动强化模型，并考慮在往复荷载作用下的包辛格效应，屈服强度fy为355MPa，弹性模量为206Gpa，泊松比为0.3，强化段模量为弹性模量的0.01倍。混凝土采用Abaqus提供的塑性损伤模型，强度等级为C50，fc为40.1Mpa，ft为3.0Mpa，弹性模量为34500MPa，泊松比为0.2。钢管内核心混凝土受压采用刘威[5]提出的适用于有限元模拟的核心混凝土本构模型，受拉采用《混凝土结构设计规范》中建议的单轴受拉本构模型。
2.4 边界条件及加载制度
JD-1、JD-2柱底铰接、约束x、y、z方向平动，x向梁约束y、z方向平动，y向梁约束x、z方向平动，JD-1在柱顶施加平行于y向梁的位移荷载，JD-2在柱顶施加与x向梁和y向梁夹角为45度的位移荷载;JD-3、JD-4柱底与柱顶铰接，x向梁约束y向平动，y向梁约束x向梁平动。柱端及梁端加载均采用位移控制加载，以层间位移角为控制变量，层间位移角分别为0.0025、0.005、0.0075、0.01、0.0125、0.015、0.0175、0.02、0.03、0.04、0.05，每级循环两圈。
3 模拟结果分析
研究不同加载方式下钢梁-钢管混凝土角柱节点抗震性能研究，主要从破坏形态、滞回曲线、骨架曲线、刚度退化、耗能等性能指标分析其抗震性能。
3.1 破坏形态
观察不同节点的破坏形态，JD-1与JD-2加载过程中，柱脚位置先达到屈服，随着加载的继续，与加强环连接处的柱端、加强环及粱翼缘先后出现屈服，最后屈服区域扩展到梁腹板。JD-1应力及变形图如图2（a）所示，由于加载平行于y向梁，因此x向梁应力远小于y向梁，通过图2（b），JD-2相比JD-1，节点域上方钢管混凝土柱鼔曲明显。JD-3及JD-4加载过程中，粱翼缘与加强环边界位置首先出现屈服，随着加载的继续进行，加强环与柱边界位置、钢管混凝土柱核心区先后达到屈服，最后阶段梁翼缘屈服逐步扩展到梁腹板。对比JD-3与JD-4应力及变形图，JD-4梁端应力更大，其梁腹板破坏更加明显。综上，加载方式1由于单梁承受大部分反力，因此加载方式对节点应力及变形影响明显，相比45度加载，0度加载更容易造成应力集中，更不利于抗震;梁端加载时由于一个方向加载时会给予另一端梁往另一方向偏移的趋势，因此梁端同向加载相比梁端反向加载梁端应力更大，更不利于抗震。
3.2滞回曲线
试件有限元模拟弯矩M-转角θ滞回曲线如图3所示。通过观察，所有试件滞回曲线均为饱满的“梭形”，说明所有试件均具有良好的耗能能力。加载初期，试件处于弹性阶段，荷载与位移呈线性关系，随着荷载的增大，试件逐渐进屈服，所有试件均未出现下降趋势，说明具有良好的塑性变形能力。对比节点JD-1与JD-2，滞回曲线形状相似，说明角柱节点柱端加载时，加载角度对节点滞回性能影响不大;对比JD-3与JD-4，JD-4滞回曲线更加饱满，说明梁端加载时，加载方向对节点滞回性能影响较大。观察JD-3与JD-4，两个节点x向梁与y向梁具有相似的破坏形态及滞回性能，后文中JD-3与JD-4均选取x向梁作为分析对象。 3.3 骨架曲线
将试件加载至第一循环峰值荷载与对应的位移的比值定义为试件的初始刚度Ke，根据Slope factor method方法[6]分别以1/3Ke、1/6Ke为斜率的直线相切试件骨架曲线，将两者交点分别定义为试件的屈服点及塑性点。
不同加载方式下钢管混凝土角柱节点的骨架曲线如图4所示，JD-1至JD-4的屈服荷载分别为214.10KN·m、219.42KN·m、130.59KN·m、150.33KN·m，相比JD-1，JD-2的屈服荷載增加了2.49%，相比JD-3，JD-4的屈服荷载增加了15.12%;JD-1至JD-4的塑性荷载分别为235.33 KN·m、236.48KN·m、141.87KN·m、157.53KN·m，相比JD-1，JD-2的塑性荷载增加了0.49%，相比JD-3，JD-4的塑性荷载增加了11.03%。可以看出，柱端加载时，不同的加载角度对节点的承载力影响不大;梁端加载时，不同加载方向对节点承载力影响较大;相比梁端加载与柱端加载，柱端加载承载力更高。
4 结论
通过分别对钢管混凝土角柱节点柱端加载方向0°、柱端加载方向45°、梁端反向加载、梁端同向加载等4个不同加载方式的力学性能进行分析比较，得出如下结论：
（1）加载方式对节点的应力及破坏形态影响较大，相比柱端45度加载，柱端0度加载更容易造成应力集中，更不利于抗震;梁端同向加载相比梁端反向加载梁端应力更大、梁端破坏现象更明显，更不利于抗震。
（2）所有试件滞回曲线均为饱满的“梭形”，具有良好的抗震耗能能力，柱端加载时，不同加载角度对试件滞回性能影响不大;梁端加载时，不同加载方式对试件滞回性能有一定影响。
（3）柱端加载时，0°与45°方向加载对节点的承载力影响不大;梁端加载时，梁端加载方向的不同对节点承载力影响较大。
参考文献：
[1]韩林海.钢管混凝土结构：理论与实践[M].北京：科学出版社，2004.
[2]樊健生，周慧，聂建国，李全旺.双向荷载作用下方钢管混凝土柱-组合梁空间节点抗震性能试验研究[J].建筑结构学报，2012， 33（06）：50-58.
[3]周慧.空间组合节点抗震性能试验研究与理论分析[D].清华大学，2011.
[4]Yoshizato J， Nakamura Y， Kuromatsu J， et al. Experimental study on SHS column to H-beam connection with exterior plate diaphragms// Annual meeting Architectural Institute of Japan， StructuresⅡ Tokyo， 1994：1417
[5]杨锴.基于梁柱刚度比、柱梁强度比对框架结构破坏模式的影响研究[D].重庆大学，2015.
[6]刘威. 钢管混凝土局部受压时的工作机理研究[D].福州大学，2005.Beedle， L. S.，
[7]Beedle， L. S.， Topractsologlou， A. A.， and Johnston， B. G ： Connection for welded continuous portal frames （part III Discussion of test results and conclusions）， Progress report No.4， The Welding Journal， 543-s-560-s， Nov.， 1952.
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