内加强环式方钢管混凝土柱-钢蜂窝梁中柱节点的力学性能分析

郑 博，李 明，张沛楠

(沈阳建筑大学土木工程学院，沈阳 110168)

方钢管混凝土柱是在方钢管内填充混凝土形成的构件，在低周往复荷载作用下表现出较强的承载力，延性和良好的抗震能力，在高层建筑中得到了大量应用[1-4]。钢蜂窝梁是一种在H形钢腹板沿设计的弧线或折线切割的基础上，重新交错组合而成的空腹梁。钢蜂窝梁不仅自重轻、节省空间和便于管道穿梭，并且在发生地震时比实腹梁更早进入塑性阶段，形成“弱梁”屈服机制，在工程中应用日益广泛[5-7]。由于钢蜂窝梁与方钢管混凝土柱都具有良好的受力性能，因而对连接二者的节点进行受力性能尤其是抗震性能研究具有重要意义。目前中国已有实际工程应用了内加强环钢管混凝土柱-钢实腹梁(IATCFSST-SB)节点，但还没有对内加强环方钢管混凝土柱-钢蜂窝梁(IATCFSST-SCB)节点的研究，为此，采用ABAQUS有限元软件对该种中柱节点的在低周往复荷载作用下的力学性能进行分析，为工程应用提供参考。

1 IATCFSST-SCB中柱节点的构造及有限元模拟方法

1.1 IATCFSST-SCB中柱节点的构造

如图1所示，中柱节点的构造设计参考了内加强环式方钢管混凝土柱-实腹钢梁中柱节点的连接方式[8-9]。具体设计如下：通过在蜂窝梁上下翼缘对应的钢管内部设置内加强环，并将蜂窝梁焊接在钢管外壁来实现钢管与蜂窝梁的连接。梁端剪力由蜂窝梁的腹板传递，梁端弯矩由翼缘传递。这类节点具有用钢量较少、刚度大、室内空间占用率低等优点。但节点存在内加强环板精准对位困难的问题，同时内加强环也会导致混凝土浇筑困难。

图1 ATCFSST-SCB中柱节点

1.2 有限元模拟方法及验证

通过有限元软件ABAQUS模拟分析中柱节点在低周往复荷载作用下的受力性能，建立的有限元模型如图2所示。建模时，节点由混凝土柱、钢管、钢蜂窝梁、内加强环、梁端加载板和柱端加载板装配而成。模型的本构关系[8-13]：混凝土柱采用塑性损伤模型；钢蜂窝梁、钢管、梁端加载板和内加强环采用双折线模型；柱上下端加载板赋予刚体特性。单元设置：钢材采用S4单元；柱上下两端加载板和混凝土采用C3DR8单元。网格划分：以六面体为主，四面体为辅的组合型网格。混凝土与钢管的接触; 以“硬”接触模拟法线方向；以摩擦系数为0.6的库仑“罚”摩擦模型模拟切线方向[8]。

图2 有限元模型

图3 节点加载示意图

边界条件的设置：对梁两端仅施加Y向位移约束，对柱底施加Z向转动约束和X、Y、Z向位移约束；当轴向荷载作用于柱顶，梁两端约束X方向位移；采用柱顶加载，施加低周往复荷载时，约束Z向位移，释放X向位移。加载示意图如图3。首先将轴向均布压力施加于柱顶；再通过设定幅值将位移控制的低周往复荷载作用于柱顶。以Newton-Raphson迭代法求解模型。

由于未查阅到关于内加强环方钢管混凝土柱-钢蜂窝梁(IATCFSST-SCB)节点试验的文献，因此，为验证上述有限元模拟方法的可行性，基于上述有限元模拟方法模拟了已有试验[9]的内加强环钢管混凝土柱-钢实腹梁(IATCFSST-SB)节点在低周往复荷载作用下的受力过程，并将模拟计算得到的荷载(P)-位移(Δ)骨架曲线与相应试验结果进行了比较，如图4所示。

由图4可知，模拟数据与试验数据较为接近，但模拟数据稍微偏大，原因可能在于[9-10]：首先试验与模拟之间本身存在不可避免的误差；其次是有限元模拟的钢材和混凝土本构关系是以其强度、弹模等参数代入现有的钢-混本构关系模型公式中得到的，而不是文献[9]中试验测得的本构关系。综上所述，在一定允许误差范围内，上述有限元模拟具有一定的合理性。

图4 试验与模拟P-Δ曲线对比

2 IATCFSST-SCB中柱节点的设计

以某实际工程采用的IATCFSST-SB节点为参照，设计一个等大的IATCFSST-SCB中柱节点模型来研究其力学特性，同时以上述有限元模拟思想建立三维有限元模型，其尺寸如图5所示。此外，设计一个同尺寸的IATCFSST-SB节点三维有限元模型，以对比其与IATCFSST-SCB节点的抗震性能。

图5 IATCFSST-SCB中柱节点尺寸示意图

3 IATCFSST-SCB中柱节点的受力过程破坏分析

3.1 受力破坏过程分析中关键点的选取

结构各个阶段的承载能力、延性等性能可以通过P-Δ曲线分析得出[10]。目前对于组合结构节点的屈服和破坏的研究，一般采用“通用屈服弯矩法”，原理如图6所示。曲线的最大荷载Pmax为C点，过坐标原点O点作P-Δ曲线的切线与点C的水平线相交于点E，切点为点A，再经过点E做X轴的垂线，与曲线相交于点B。则点B为屈服点，B点纵、横坐标分别为屈服荷载Py、屈服位移Δy。结构的破坏荷载一般为最大荷载的85%，即图6中点D的纵、横坐标分别为破坏荷载Pu、破坏位移Δu。混凝土、钢管、内加强环及钢蜂窝梁在A、B、C、D点的应力云图如图8所示。

图6 P-Δ曲线中的关键点示意图

图7 IATCFSST-SCB应力云图

图8 混凝土应力云图

3.2 钢管、钢蜂窝梁及环板应力分析

图8为IATCFSST-SCB的P-Δ曲线中A、B、C、D点荷载对应的应力云图。为便于分析，计算了各点荷载时钢管、钢蜂窝梁及环板的最大应力变化，如表1所示。

表1 不同荷载下各部件的最大应力变化

结合表1、图7对钢管的应力变化进行分析：当加载到Pe时，钢管正面和侧面所受到的应力基本一致，顶端和底部应力较小，应力沿竖直方向从中间向两边逐渐减小；当荷载达到Py时，最大应力主要是在钢管的中间部分，正面和侧面的受力有一定的不同，应力增长了36%；当荷载达到最大荷载Pmax时，钢管应力有显著上升，增长57%，正面和侧面的最大应力都出现在钢管中部，此时钢管的最大应力恰好是屈服应力，并且屈服区域极小，钢管整体处于未屈服状态；荷载减小到Pu时，钢管最大应力变化很小，且最大应力处还是在钢管壁与蜂窝梁连接的节点区域，应力沿竖直方向向两端越来越小。从以上分析可以看出：钢管的最大应力集中于钢管的中心区域，然后向上下两端扩展，钢管在整个受力过程中整体不屈服。

结合表1、图8对钢蜂窝梁的应力变化进行分析：如当加载到Pe时，蜂窝梁整体的应力不大，最大应力发生在梁翼缘和钢管连接的部分以及梁第一开孔外围；当加载到Py时，钢蜂窝梁的应力显著增大，应力最大的部分是在钢管与钢蜂窝梁连接处和钢蜂窝梁的第一孔附近，应力增加了30%，但钢蜂窝梁未屈服；当加载至最大荷载Pmax时，钢蜂窝梁的应力大幅增加了60%，超过了钢材的屈服强度，钢梁开始屈服，最大应力在钢管与钢蜂窝梁连接的上下翼缘处及钢蜂窝梁的开孔外围处，并且孔外围处的应力屈服区域很大；荷载下降到Pu时，钢蜂窝梁的开孔外围和腹板连接处发生局部屈曲，最大应力增加很小，仅增加7%，最大应力仍发生在钢管与钢蜂窝梁连接的上下翼缘处及钢蜂窝梁的开孔外围处。从以上分析可以看出：钢蜂窝梁的最大应力出现在钢管与钢蜂窝梁连接的上下翼缘处和钢蜂窝梁的开孔外围处，发生屈服破坏，并且在开孔周围出现的屈服区域很大。

结合表1和图8对环板的应力变化进行分析：加载至Pe时，内加强环的最大应力在钢蜂窝梁与环板的连接区域；当加载到Py时，内加强环的应力有了大幅度上升，增长了141%，最大应力还是在钢蜂窝梁与环板两侧的连接处；当加载到Pmax时，内加强环的应力继续增大了92%，这时内加强环局部发生屈服，最大应力在钢蜂窝梁与环板的两侧连接处，并且屈服区域较小；当荷载下降到Pu时，最大应力还是在钢蜂窝梁与环板的两侧连接处，减小了20%。从以上分析可以看出：内加强环的最大应力主要分布在钢蜂窝梁与环板的连接处，并且屈服区域较小。

3.3 核心混凝土应力分析

如图8(a)，当加载到Pe时，主要是轴向压力以及混凝土的自重作用，混凝土柱的中间部分受力最大，内加强环的上下环板与钢管焊接处的应力分布基本一致，混凝土柱的正面和侧面应力分布也比较一致；当荷载达到Py时，如图8(b)，混凝土柱的最大应力区域主要还在中间部分，沿竖直方向向环板上下梁端扩展，相较于初始加载，混凝土应力增加了11%，上下环板处混凝土受力分布对称良好；当荷载达到最大荷载Pmax时，如图8(c)，混凝土柱的最大应力区域在上下两个内加强环区域，应力增大了20%；如图8(d)，荷载减小到Pu时，上下环板处混凝土的应力继续上升了7%，且环板处应力分布明显对称。从以上分析可以看出：IATCFSST-SCB中柱节点在低周往复荷载作用下，核心混凝土的最大应力均在内加强环的上下环板处，但并未被压坏，未压坏的原因可能是因为混凝土柱截面比较大。

4 IATCFSST-SCB中柱节点的抗震性能分析

4.1 滞回曲线对比分析

IATCFSST-SCB与IATCFSST-SB节点柱顶的P-Δ曲线对比如图9所示。由图9可知，两种节点：在柱顶施加低周往复荷载初期，柱顶的变形呈线性变化，卸载时，节点恢复原状，此时节点的变形处于弹性阶段；当柱顶荷载随着低周往复荷载的循环次逐步增加，柱顶的变形越来越大，卸载时不能恢复原状，这时节点处于弹塑性状态；柱顶荷载继续增加，柱顶变形继续增大，节点的承载力达到最大后开始降低，此时节点在破坏阶段。对比图9中的滞回曲线可得出：两者滞回曲线均较为饱满，塑性变形能力很强，无显著的捏缩现象和刚度退化，说明两种节点都具有良好抗震性能；同时也可以看出IATCFSST-SCB节点随位移的增加，刚度退化比IATCFSST-SB节点快，这主要是因为钢蜂窝梁的开孔削弱了梁的抗弯模量，但总体相差不大，说明IATCFSST-SB节点也具有较好的耗能能力。

图9 IATCFSST-SCB和IATCFSST-SB滞回曲线对比

4.2 骨架曲线对比分析

骨架曲线是指将同一方向的滞回曲线所达到的最大值点相连后得到的曲线[12]。它反映了结构在受力和变形的各个阶段的承载能力、延性等性能[14-15]。IATCFSST-SCB与IATCFSST-SB节点的P-Δ曲线对比如图10所示。可以看出：在加载的最初阶段，两者的刚度、位移和承载力非常接近；随着荷载的增加，蜂窝孔洞在一定程度上削弱了梁的承载力，IATCFSST-SCB中柱节点的承载力有所降低，但降低程度较小，不到10%，表明IATCFSST-SCB中柱节点能较快达到塑性状态，更为符合 “强柱弱梁”的抗震设计要求。

图10 蜂窝梁与实腹梁中柱节点P-Δ曲线对比

4.3 等效黏滞阻尼系数对比分析

如图11所示，当节点经历一次往复荷载时，加载与卸载构成一个滞回环。一般结构滞回环的饱满程度由等效黏滞阻尼系数表征。而等效黏滞阻尼系数又反映结构的耗能能力。型钢混凝土节点的等效黏滞阻尼系数约为0.3，而对于钢筋混凝土节点一般约为0.1。经计算，IATCFSST-SCB中柱节点和IATCFSST-SB中柱节点的等效黏滞系数分别为0.32和0.34，两种节点的等效黏滞阻尼系数相差不大，且比钢筋混凝土节点高很多，和型钢混凝土节点基本一致。因此，IATCFSST-SCB中柱节点具有较好的耗能能力。

图11 滞回环示意图

4.4 延性系数对比分析

在结构尚未破坏前且承载力没有明显下降时，反映结构承受塑性变形的能力即为延性[11-15]。一般可用位移延性系数、转角延性系数和曲率延性系数来表征延性[11-15]。选择位移延性系数μ即结构的极限位移与屈服位移之比来表征结构的延性。IATCFSST-SCB中柱节点和IATCFSST-SB中柱节点的延性系数分别为2.5和2.9，一般工程要求位移延性系数大于2，由此说明，IATCFSST-SCB中柱节点延性系数虽然较IATCFSST-SB中柱节点略小，但也满足工程的需要。

5 结论

通过对IATCFSST-SCB中柱节点的受力破坏过程与抗震性能分析得出以下结论。

IATCFSST-SCB中柱节点的最大应力主要发生在混凝土的中心区域、钢管的中心区域、钢管与钢蜂窝梁连接的上下翼缘处、钢蜂窝梁的开孔外围处、钢蜂窝梁与环板的连接处。因此，在实际工程应用时，对这些部分应加强考虑。

(1)IATCFSST-SCB中柱节点也具有较高的承载力，与IATCFSST-SB中柱节点相比，IATCFSST-SCB中柱节点的最大承载力可以达到IATCFSST-SB中柱节点承载力的90%，同时由于梁内圆孔的存在，使蜂窝梁能更迅速地进入塑性阶段，形成“强柱弱梁”的屈服机制，具有良好的工程可行性。

(2)IATCFSST-SCB中柱节点与IATCFSST-SB中柱节点的等效黏滞阻尼系数均较大，塑性变形能力较强，延性表现良好，说明IATCFSST-SCB中柱节点同IATCFSST-SB中柱节点一样具有良好抗震性能。