不同削弱形式下中空夹层钢管混凝土柱-钢梁节点抗震性能分析

李 鑫，汪小平，余 涛

(江西理工大学 土木与测绘工程学院，江西 赣州 341000)

0 前 言

中空夹层钢管混凝土构件是由内外两个钢管相嵌套，两钢管中间空隙灌注混凝土而成的一种构件，跟传统钢管混凝土柱相比，其自重更轻、耐火性能和抗震性能也更强，随着钢管混凝土结构快速发展，研究人员对于中空夹层钢管混凝土结构中柱的承压做了一些研究，但对中空夹层钢管混凝土柱-钢梁节点研究甚少，中空夹层钢管混凝土柱-钢梁节点作为结构的重要受力部位，对其进行研究具有重要意义。

在我国实际工程中，广泛采用的是梁端加强型连接方式。而大量试验探索表明在距离梁一定距离进行梁端削弱可以获得良好的滞回性能，使其梁上的塑性铰在外移至削弱处，从而保证梁先于柱破坏，符合设计原则，为探究不同削弱方式对节点抗震性能的差异，本文根据相关规范与文献选取了翼缘切削、腹板半圆型切削、翼缘+腹板半圆组合切削3种对钢梁的削弱方式进行对比分析来探究节点的抗震性能。

1 节点设计与模型的建立

根据相关规范[1-2]节点试件模型以框架结构中柱节点为依据，模型按1∶2比例进行缩尺寸建模，柱子高度取1 200 mm,柱顶距离钢梁上翼缘为475 mm,柱底距离钢梁下翼缘也为475 mm，梁端距离柱子中心位置为1 000 mm。本文将H型钢梁插入外方钢管柱内部并与内钢管进行连接，钢梁与内外钢管之间不进行焊接，之后设置加强环板，将钢梁翼缘与加强环上下环板重合处进行焊接，将其命名为NEWJD-0；在NEWJD-0基础上将钢梁分别进行翼缘削弱、腹板圆孔削弱、腹板两半圆、翼缘削弱+腹板圆孔组合削弱、翼缘削弱+腹板两半圆组合削弱，分别命名为NEWJD-1、NEWJD-2、NEWJD-3，参考文献[3]建议削弱宽度取0.65h

应用有限元软件ABAQUS对4个节点进行精细化建模，采用TIE 绑定约束来模拟焊接[4]，钢材采用三折线模型，混凝土采用韩林海的适用于约束混凝本构[5],采用对于节点区域网格进行合理加密划分，网格单元尺寸为25 mm，加密区网格设置为18 mm，所有单元均采用8节点线性减缩积分实体单元(C3D8R)；模型的边界条件如图1所示，具体各个部件各项参数如表1～2所示。

图1 网格划分与边界条件设置

表1 节点各部件设计参数(1) 单位：mm

表2 节点各部件设计参数(2) 单位：mm

2 结果分析

由图2可知：NEWJD-0、NEWJD-1、NEWJD-2 节点钢梁翼缘切削处与腹板以及加强环板内侧四角出现了严重应力集中现象NEWJD-3节点钢梁翼缘腹板发生应力集中现象，加强环板内侧轻微应力集中。由图2可知，3种切削形式的节点都有塑性铰外移的现象，都有效改善了节点核心区的应力集中现象。符合“强柱弱梁”的设计原则。相比于NEWJD-0，塑性铰外移是因为有加强环板的作用，而随着钢梁进行切削可知加强环内侧四个角落应力集中现象得到了有效改善。

(a)NEWJD-0

滞回曲线如图3所示。

(a)NEWJD-0

由图3可知，各个节点滞回曲线饱满，没有明显捏缩现象。弹性阶段各个节点滞回曲线均呈线性增长趋势，梁端位移继续加载，节点进入弹塑性阶段，力与位移曲线开始由线性增长转变呈非线性增长，后期达到峰值增长开始不再增加。

同时对比这几个滞回曲线可以发现：组合切削后的钢梁节点的滞回曲线包络面积最小，未切削的节点滞回曲线包络面积最大。这说明钢梁切削虽然减轻了加强环所负担的荷载减小破坏，但同时也降低了节点的抗震性能。

由图4可知，梁端位移加载初期，节点处于弹性受力阶段，各个节点的骨架曲线基本呈现斜率较大的直线；随着梁端位移的增加，节点进入塑性阶段，此时节点开始进入屈服阶段产生塑性变形，增长趋势开始变缓，之后节点曲线攀升趋势几乎不再上升。说明已经开始进入破坏阶段。

图4 不同切削形式下节点的骨架曲线

对比3个钢梁切削的节点，可看出，梁端位移加载初期，由于位移比较小，3个节点骨架曲线是非常接近的，说明切削对初期刚度影响较小，随着位移加载的增大，3个节点骨架曲线开始有明显的区别，节点NEWJD-0、NEWJD-1、NEWJD-2、NEWJD-3 的屈服点上升速度顺序依次下降。

由图5可知，4个节点梁端位移加载前期，刚度退化现象非常明显，当节点进入屈服阶段，各个节点刚度退化现象放缓，整个位移加载过程中刚度退化比较均匀，没有出现明显的突变现象，说明节点整体性较好。从4个节点的刚度退化曲线对比中可知：4个节点的刚度退化曲线区别明显，切削程度较低的节点随位移的增加始终高于切削程度高的节点，这说明节点的切削程度越高，其节点的初始刚度越低。

图5 不同削弱形式下节点的刚度退化曲线

由表3可知，钢梁的切削在分担加强环板负担外移塑性铰的同时，也降低了节点的极限承载能力，相较于无切削的原型节点NEWJD-0，NEWJD-1、NEWJD-2、NEWJD-3的正向极限承载力分别降低了26.870%、20.914%、42.183%，负向极限承载力分别降低了26.629%、20.016%、42.165%。由此可见，钢梁切削对带有加强环板的中空夹层钢管混凝土柱-钢梁节点影响较大。

表3 各节点正负向极限承载力 单位：kN

由表4可知，随着节点切削程度越大，屈服位移也越小，相对于NEWJD-0的延性系数，NEWJD-1、NEWJD-2、NEWJD-3延性系数分别提高了3.977%、7.386%、19.886%，由此可知，节点的延性系数随着切削程度越高、延性越高，同时节点的承载能力也会随之下降。

表4 各节点延性系数

3 结 论

本文采用有限元软件ABAQUS对带加强环板的中空夹层钢管混凝土柱钢梁节点以及5种不同削弱形式下的节点进行了抗震性能分析，得到结论如下。

1)不论是何种切削形式，对中空夹层钢管混凝土柱钢梁节点的滞回性能影响都比较大。

2)3种削弱形式下节点的塑性铰都有效实现外移动。

3)翼缘与腹板同时削弱的情况下节点的延性最好但同时承载力下降的也是最多的

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