新型异形钢管混凝土节点力学性能试验及有限元分析

陈　茜,白晓红，焦燏烽,刘小敏

(河南科技大学 土木工程学院，河南 洛阳 471023)



新型异形钢管混凝土节点力学性能试验及有限元分析

陈茜,白晓红，焦燏烽,刘小敏

(河南科技大学 土木工程学院，河南 洛阳 471023)

为了研究新型异形钢管混凝土节点的抗震性能，对5个缩尺比为1/2的节点模型进行了低周反复荷载试验，对其滞回曲线、承载力和耗能进行了分析。分析结果表明：内隔板式异形钢管混凝土节点承载力高，抗震性能好。在试验的基础上，利用ANSYS软件对试件进行了有限元模拟，计算结果与试验结果符合较好。由有限元分析得出试件在各个受力阶段混凝土损伤、应力的发展规律，获得了钢管约束力对节点域混凝土力学性能的影响规律。

异形钢管混凝土；内节点；拟静力试验；有限元分析

0　引言

近年来，钢筋混凝土异形柱结构在中国得到了大量的应用，取得了可观的经济效益和社会效益。但在实际应用中，该种结构节点存在以下缺陷[1-2]：(1)节点区混凝土受压区应力分布很不均匀，节点抗震性能差。(2)由于混凝土强度和截面配筋率的限制，节点承载能力低。(3)在实际工程中，节点布筋、浇筑混凝土等施工过程较为困难。为克服上述缺点，研发了一种新型内隔板式异形钢管混凝土节点。该种节点利用钢管对混凝土的约束作用，提高混凝土强度，同时改善混凝土的塑性和韧性[3-4]。在施工过程中，钢管可作为浇灌核心混凝土的模板，实现生产构件的标准化和产业化，适用于高层建筑及高烈度设防地区。

目前，这种新型异形钢管混凝土节点的相关研究较少，只有文献[5]对隔板贯通式异形钢管混凝土节点进行了拟静力试验。为研究新型内隔板式异形钢管混凝土节点，本文选取5个240mm肢厚、1/2缩尺比的内隔板式异形钢管混凝土节点模型进行低周反复荷载试验，并与有限元数值模拟进行了对比分析，更全面、系统地研究了新型异形钢管混凝土节点的力学性能。

1　试验方案

1.1试件设计及材料

通过5个内隔板式异形钢管混凝土节点的低周反复荷载试验，研究柱截面肢高肢厚比(和梁相连的柱肢截面高度与厚度之比)和轴压比对节点力学性能的影响。

所有试件都采用了工字形钢梁，其上下翼缘通过带垫板坡口熔透焊缝与柱连接，腹板通过角焊缝与柱连接。柱钢管由钢板焊接而成，试件的节点构造见图1。图1中，h为钢梁高度；ts和tf分别为内隔板厚度和翼缘厚度；tsf和tsw分别为钢梁翼缘厚度和腹板厚度；bf为钢梁翼缘宽度。节点核心区内隔板构造采用《矩形钢管混凝土结构技术规程》[6]推荐的形式，内隔板采用带垫板坡口熔透焊缝与柱钢管进行焊接，为方便浇筑混凝土，内隔板均有混凝土浇筑孔。试件的设计参数见表1。表1中，ts、tw和tf分别为内隔板厚度、柱钢管腹板厚度和翼缘厚度;bf为钢梁翼缘宽度；n为轴压比。试件中的柱钢管、内隔板和钢梁均在钢结构加工厂加工并焊接在一起，在现场将试件骨架吊装、固定，最后在柱钢管中浇筑混凝土。主要钢板、混凝土的材料力学性能如表2所示。表2中，t、 fu、 fy、E和δ分别为柱钢管钢板(除了与钢梁焊接的钢板部分)的厚度、钢材极限强度、屈服强度、弹性模量和伸长率； fcu为混凝土立方体抗压强度。4mm厚钢板采用Q235，其余厚度的钢板均采用Q345，由于试件柱钢管尺寸较小，为保证混凝土的浇筑质量，混凝土粗骨料采用豆石。

图1　试件节点构造

试件编号n柱截面肢高肢厚比ts/mmtw/mmtf/mmh×bf×tsw×tsf/mm4+J10.20220416300×120×10×16+J20.26220416300×120×10×16+J30.32220418300×120×10×16+J40.20325416300×120×10×20+J50.20435416300×120×10×30

表2　试件主要材料的力学性能

1.2试验方法

试验采用柱端加载，M2801电液伺服程控系统施加柱端水平往复荷载，竖向加载使用油压千斤顶，通过千斤顶与反力梁之间的滚轴确保千斤顶能够随柱端同步移动。由于试件破坏主要发生在节点核心区，试验前在节点核心区、邻近节点的梁端和柱端粘贴大量应变计，并沿核心区对角线方向布置百分表，在梁端、柱端布置位移计和百分表。

1.3试验结果及分析

1.3.1试件破坏特征

试件为典型的“弱节点强构件”,试件达到极限荷载时，节点域进入屈服后强化阶段，局部出现了屈曲现象，如图2所示。当荷载下降至某一数值，试件核心区在内隔板、柱翼缘交汇处的钢腹板与柱翼缘连接焊缝开裂，之后裂缝沿竖直方向发展，并且宽度不断增大；当荷载临近破坏荷载时，内隔板一侧与柱翼缘连接焊缝发生破坏，柱翼缘局部钢管外鼓，如图3所示。将破坏后的节点核心区钢腹板剥开后，发现核心区柱腹板与混凝土之间的黏结未破坏，由于核心区内隔板和柱钢管形成的刚性框有效约束着混凝土，混凝土未发生压溃破坏；在节点域柱端未出现明显的混凝土压碎现象，表明核心区混凝土未发生承压破坏；腹板肢节点核心区沿对角线方向有两条交叉斜裂缝(如图4所示)，翼缘肢节点核心区临近对角线方向同样存在两条交叉斜裂缝，但其裂缝宽度要小于腹板肢节点核心区斜裂缝。

图2 节点钢腹板屈曲图3 节点焊缝破坏图4 节点混凝土开裂

1.3.2滞回曲线

试验测得部分试件(+J1、+J3、+J5)的柱端水平荷载P与层间位移△的关系曲线见图5，其他试件图略。试件+J1、+J2和+J3达到极限荷载之前，滞回曲线呈纺锤形，此后由于节点核心区混凝土斜裂缝的开展，并且裂缝随柱端水平荷载方向的改变而交替开闭，滞回曲线逐渐发展成梭形；临近破坏荷载时，由于核心区混凝土斜压杆逐渐压碎破坏，混凝土退出工作,试件滞回曲线接近于纺锤形。试件+J4和+J5达到极限荷载之前，滞回曲线呈梭形；试件超过极限荷载后，由于应力集中和焊接缺陷等因素影响，核心区在内隔板、柱翼缘交汇处的钢腹板与柱翼缘连接焊缝开裂，之后试件承载力迅速下降，节点滞回曲线形状介于梭形和弓形之间。

图5　部分试件荷载-位移滞回曲线

1.3.3骨架曲线及耗能

图6　试件荷载-位移骨架曲线

滞回曲线的外包线即为骨架曲线，各试件的荷载-位移骨架曲线如图6所示。由图6可知：节点试件骨架曲线有较长、较平缓的下降段；在相同条件下，肢高肢厚比大的试件具有更高的极限荷载,但其骨架曲线的下降段则相对较陡,表明增加试件肢高肢厚比能有效提高节点的受剪承载力,但将降低其变形能力和延性。

等效黏滞阻尼因数可表示试件的耗能能力，钢筋混凝土节点的等效黏滞阻尼因数在0.100左右[7]，钢筋混凝土异形柱框架节点的等效黏滞阻尼因数较普通钢筋混凝土节点要小。根据试验结果，异形钢管混凝土节点试件在极限荷载时，等效黏滞阻尼因数达0.115～0.192；试件在破坏荷载时，等效黏滞阻尼因数达0.243～0.264，表明异形钢管混凝土节点的耗能能力优于钢筋混凝土异形节点。

2　有限元模拟

2.1模型建立及单元选取

选用ANSYS10.0对试件进行非线性有限元模拟，试验后剥开节点核心区柱钢管，发现节点钢管和混凝土之间的黏结作用较强，故将试验试件进行适当的简化，认为钢管和混凝土之间没有相对滑移产生。在前处理器中用Solid65模拟试件混凝土部分，用Solid45模拟试件柱钢管、内隔板和钢梁，混凝土本构模型采用钢管混凝土构件中核心混凝土等效应力-应变关系模型[8-9]，柱钢管腹板采用多线性随动强化模型，柱钢管翼缘、内隔板和钢梁采用双线性随动强化模型。依次建立柱、钢梁的实体模型，在内隔板、填充混凝土的位置用工作平面切割柱实体模型，再通过定义单元属性建立柱钢管、混凝土和内隔板的实体模型。为模拟试件柱底部的固定铰支座，在柱底的刚性块中线上施加x、y和z这3个方向的位移约束；为模拟试件梁底部的可动铰支座，放松x方向的位移约束，在梁端施加y和z两个方向的位移约束[10]。

由有限元计算得出的柱端水平荷载-位移曲线和试验骨架曲线的比较如图7所示。由图7可知：5个试件的有限元计算曲线和试验骨架曲线吻合较好，由于在有限元分析时未考虑钢材、混凝土的塑性损伤，有限元计算曲线没有明显的下降段。

2.2有限元分析

2.2.1混凝土损伤发展

通过ANSYS有限元分析可得到试件柱钢管内混凝土在各个受力阶段的损伤情况，图8表示试件+J1腹板肢和翼缘肢混凝土损伤的发展。当荷载加到50kN(约为极限荷载的18%)时，试件腹板肢、翼缘肢梁柱连接处左上端和右下端均出现第1批弯曲裂缝，如图8a所示，混凝土开裂面为水平面，此时试件层间位移很小(约为4.8mm)。随着荷载的继续增大，弯曲裂缝不断增加，裂缝向节点核心区缓慢发展。当荷载加到135kN(约为极限荷载的49%)时，试件腹板肢核心区中部混凝土出现第2批斜向裂缝，如图8b所示，而翼缘肢核心区未出现斜向裂缝。继续加载，腹板肢核心区斜裂缝由中心向四角发展，并向梁端、柱端发展。试件达到屈服荷载(237kN)时，腹板肢节点钢腹板屈服，腹板肢核心区混凝土单元大都沿斜向开裂，而翼缘肢核心区中部混凝土出现斜向开裂，如图8c所示，由于内隔板、柱钢管对混凝土的约束作用，此后核心混凝土仍能继续承担荷载。试件超过极限荷载(274kN)后，腹板肢核心区混凝土单元逐渐压碎，承载力逐渐下降，最终导致节点破坏。

图7 有限元计算曲线与试验骨架曲线比较图8 试件+J1腹板肢和翼缘肢混凝土损伤发展图

2.2.2混凝土应力分析

试件在极限状态时，节点核心区混凝土腹板肢、翼缘肢主应力矢量图如图9所示。同时，对节点混凝土主压应力进行分析，可知：试件腹板肢、翼缘肢节点核心区混凝土主要承受斜向的主压应力，表明腹板肢和翼缘肢节点核心区均沿对角线方向形成明显的“斜压短柱”；腹板肢、翼缘肢节点角部混凝土的主压应力较大，翼缘肢节点混凝土主压应力普遍高于腹板肢节点混凝土主压应力，翼缘肢节点混凝土斜压杆比腹板肢节点混凝土斜压杆更明显，这是由于试件屈服后，腹板肢节点端部、中部混凝土大面积开裂，主压应力迅速下降。

2.2.3混凝土性能分析

在有限元分析结果中可得到试件腹板肢、翼缘肢节点核心区测点(见图10)处混凝土的压应力-应变关系。图11对比分析了各测点处混凝土的压应力-应变(σ-ε)关系和素混凝土单轴受压Hognestad模型[11]。由图11可以看出：试件+J1和试件+J4 所有测点处混凝土的抗压强度均大于素混凝土单轴抗压强度。这是由于试件柱钢管、内隔板包裹着节点核心区混凝土，随着节点混凝土裂缝的出现与发展，节点混凝土的横向变形将大于柱钢管、内隔板的变形，故柱钢管、内隔板对节点混凝土产生约束力，使节点混凝土处于三向受压状态，从而有效抑制节点混凝土裂缝的发展，提高节点混凝土抗压强度。与测点#2、#3和#5相比，测点#1和#4处混凝土抗压强度提高的幅度更大(7%～10%)，这是由于柱钢管转角处的刚度较大，变形较小，对核心混凝土的约束力较强[12]。试件节点核心区钢腹板屈服后，由于钢腹板有一段较长的塑性流动阶段，钢腹板对核心混凝土的约束力保持不变。试件+J1的测点#2，试件+J4的测点#2、#3、#4和#5达到抗压强度后，压应力-应变曲线近似为一段直线，表明试件腹板肢、翼缘肢节点域混凝土应变不断增大，应力保持不变。

图9 节点混凝土主应力矢量图图10 测点位置

(a) 试件+J1 (b) 试件+J4

图11节点混凝土和素混凝土压应力-应变关系比较

3　结论

(1)该种新型异形钢管混凝土节点滞回曲线饱满，抗震性能好，耗能能力优于钢筋混凝土异形节点；试件翼缘肢可以增强和改善节点核心区的受剪承载力，但将降低其变形能力和延性。

(2)通过对比试验结果与有限元分析结果，证明所建立的有限元模型合理正确，能够客观反映节点的受力特性以及破坏特征。

(3)试件屈服时，腹板肢、翼缘肢节点域混凝土均出现斜向开裂；试件超过极限荷载后，腹板肢节点域混凝土逐渐被压碎；试件腹板肢和翼缘肢节点核心区均存在混凝土斜压杆。

(4)由于柱钢管、内隔板对节点域混凝土的约束力，核心区混凝土抗压强度有大幅度提高；试件屈服后，试件腹板肢、翼缘肢节点域混凝土应变不断增大，应力保持不变。

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国家自然科学基金项目(50978217);教育部高等学校博士学科点专项科研基金项目(20096120110005);河南科技大学科研基金项目(2014QN014)

陈茜(1982-),女,河南洛阳人,讲师,博士,主要研究方向为钢-混凝土组合结构抗震及设计.

2015-11-21

1672-6871(2016)06-0066-06

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.06.014

TU317

A