实复及空复式钢管混凝土梁柱节点抗震性能分析*

王 颖, 毕灵云

(沈阳工业大学 建筑与土木工程学院, 沈阳 110870)

摘 要: 为了对比分析实复式与空复式钢管混凝土柱钢梁节点的抗震性能,利用有限元软件ABAQUS对实复式钢管混凝土柱钢梁节点进行了模拟,并与实测试验数据进行了对比.通过建立空复式钢管混凝土柱钢梁节点模型,完成了实复式及空复式钢管混凝土梁柱节点的抗震性能对比分析.结果表明,实复式钢管混凝土柱钢梁节点的延性系数、耗能能力、强度退化和刚度退化等抗震性能指标均优于空复式钢管混凝土柱钢梁节点.

关 键 词: 实复式钢管混凝土; 空复式钢管混凝土; 节点; 有限元; 抗震性能; 滞回曲线; 强度退化; 刚度退化

随着我国建设事业的迅猛发展,结构工程技术也得到快速发展.钢管混凝土最早应用于桥墩和工业厂房中.在20世纪80年代,外国学者主要研究了钢管混凝土的抗震性能和耐火性能[1-3].近年来,各国学者对钢管混凝土动力性能的研究也进一步深入,目前又开始了对复式钢管混凝土结构的研究.复式钢管混凝土结构就是在方钢管中加入了圆钢管,内嵌的圆钢管可以有效地约束内部混凝土,弥补了单层钢管混凝土对核心混凝土约束不足的缺点,同时外层的方钢管兼具外表美观、与梁连接方便等优势,具有良好的工程应用性.复式钢管混凝土又分为实复和空复式钢管混凝土两种结构,实复式钢管混凝土内嵌的圆钢管中浇有混凝土,空复式钢管混凝土内嵌的圆钢管中无混凝土,两种结构的截面如图1所示.实复式钢管混凝土结构能够充分发挥圆钢管的约束效应,空复式的结构具有较好的抗震性能和抗火性能,且自重相对较轻[4-5].把两种结构做对比,从而深入地分析两者抗震性能的具体差异.通过已经完成的试验数据,利用ABAQUS进行模拟,分析实复式钢管混凝土节点的破坏形态,将得到的结果与试验结果对比,若结果相对准确,则继续对空复式钢管混凝土节点进行模拟分析,对比分析两种节点的应力分布,为钢管混凝土结构在工程中的应用提供指导.

图1 实复及空复式钢管混凝土
Fig.1 Solid and hollow multiple concrete filled steel tubes

1 试验概况

1.1 低周循环荷载试验

低周循环荷载试验就是对构件在正反两个方向上施加反复荷载,也叫拟静载试验,一般在模拟地震时使用.结构的抗震性能通过分析结构的滞回性能、骨架曲线、刚性和延性及耗能能力等抗震指标来体现.

1.2 试验节点模型

为了验证所建立的模型,实复式钢管混凝土柱钢梁节点模型采用文献[6]中的试验数据进行对照.外方钢管尺寸为250 mm×8 mm,内圆钢管尺寸为133 mm×6 mm,H型钢梁尺寸为244 mm×175 mm×7 mm×11 mm.复式钢管混凝土柱钢梁节点的模型尺寸如图2、3所示(单位:mm).

1.3 节点加载制度

模型加载时首先在柱顶施加轴向荷载,其次在梁的两端施加竖向循环荷载.加载过程与试验一致,采用位移加载控制.屈服前每级循环一次,从屈服开始每级循环三次.加载历程如图4所示.图4中,Δy为梁端屈服位移,t为加载时间.

图2 节点模型尺寸
Fig.2 Joint model size

图3 节点详图
Fig.3 Joint details

图4 加载制度
Fig.4 Loading principle

2 有限元模型的建立

2.1 混凝土的本构关系

外方钢管与内圆钢管之间的混凝土受力较为复杂,且钢管混凝土柱在轴心受压作用下,也要考虑钢管与混凝土之间的相互作用.文献[4]通过引入约束效应系数ξ,提出了混凝土受压的本构关系式,即

(1)

(2)

(3)

式中:ξ=αfy/fckα为构件含钢率,α=As/Acfy为钢材的屈服强度,fck为混凝土的轴心抗压强度标准值;x=ε/εc0y=σ/σc0σc0为混凝土压应力峰值,σc0=fcεc0为峰值压应力时对应的应变,εc0=εc+800×10-6ξ0.2εc=(1 300+12.5fc)×10-6fc为混凝土圆柱体的抗压强度;AsAc分别为钢管和核心混凝土的横截面面积.混凝土的受压应力应变关系曲线如图5所示.

2.2 钢材的本构关系

H型钢梁采用三折线本构模型,如图6所示.图6中,

2.3 相互作用及约束条件

为了真实地模拟实复式钢管混凝土柱钢梁节点的抗震性能,本文将建立与试验保持一致的条件.在钢管与混凝土的接触上,法向采用“硬接触”,切向为库伦摩擦,摩擦系数为0.6[7].外钢管与水平端板、锚固腹板与内圆钢管、水平端板与锚固腹板、竖向肋板与水平端板均采用绑定连接.在梁的自由端设置参考点,并施加x方向上的位移约束.加载制度与实际试验一致,如图4所示.

图5 混凝土受压应力应变关系曲线
Fig.5 Stress-strain relation curves of concrete under compression

图6 三段线模型
Fig.6 Triple linear model

2.4 有限元模型及单元划分

对实复式钢管混凝土柱钢梁节点采用ABAQUS模拟,按照与试验相一致的尺寸建模,建立的模型及单元划分如图7所示.

3 有限元模拟计算结果分析

滞回曲线是结构在低周循环荷载作用下得到的荷载位移关系曲线,实复式钢管混凝土柱钢梁节点模型的滞回曲线与试验的滞回曲线如图8所示.由图8可以看出,两者的滞回曲线均呈较饱满的梭形,符合“强柱弱梁”的设计原则,表明该节点的耗能能力较好.结构的耗能能力[8-10]采用滞回曲线所围成的曲线面积来衡量.图9为节点滞回曲线包络图.在工程中,一般采用等效粘滞阻尼系数he和能量耗散系数E来评价结构耗能能力,即

he=E/(2π)

(4)

(5)

图7 节点模型及模型单元划分
Fig.7 Joint model and model unit meshing

表1为模拟值与试验值数据对比.结果显示,数值模拟所得的滞回曲线能够较好地与试验滞回曲线相吻合,粘滞阻尼系数及能量耗散系数较接近,从而验证了模型的合理性.

图8 有限元模拟计算和试验滞回曲线
Fig.8 Finite element simulated calculation and experimental hysteresis loop

图9 节点滞回曲线包络图
Fig.9 Envelope diagram of joint hysteresis loop

表1 模拟值与试验值数据对比
Tab.1 Comparison of simulated and experimental values

参数模拟值试验值模拟值/试验值he0.360.311.16E2.261.931.17

骨架曲线是由滞回曲线上每级加载的峰值点连接得到的,通过有限元模型的滞回曲线可以得到其骨架曲线,如图10所示,模拟值与试验值的梁端承载力对比如表2所示.

图10 骨架曲线
Fig.10 Skeleton curves

由图10及表2可以看出,有限元分析得出的梁端承载力大于试验得出的梁端承载力,且模拟得到的骨架曲线没有下降段,说明数值模拟与试验还存在一定的误差.这是因为有限元计算模型忽略了实际焊缝缺陷的影响,而实际试验梁端承载力的下降是由焊缝开裂导致的,所以有限元模拟得到的骨架曲线荷载值略高于试验荷载值.

表2 梁端承载力模拟值与试验值对比
Tab.2 Comparison between simulated and experimentalvalues of bearing capacity of beam end kN

模拟值试验值277.41237.45

综合以上多组数据分析,有限元模拟的计算结果与实际试验结果相差不大,有限元模拟的计算误差在可控制的范围内,验证了模型的合理性.

4 实复及空复式钢管混凝土节点抗震性能对比分析

4.1 梁端的应力变化以及荷载位移滞回曲线

模拟得到的实复式钢管混凝土柱钢梁节点及空复式钢管混凝土柱钢梁节点的应力云图如图11所示.图12为两种节点滞回曲线.

图11 节点应力云图
Fig.11 Nephogram of joint stress

由图11可以看出,两种组合结构节点在达到破坏状态时的破坏模式均是首先在梁根部发生屈曲变形.由弹性阶段进入到屈服阶段后,在水平端板与梁根部的连接处产生塑性铰,继续加载,梁端荷载传向节点核心区,由核心区传递给柱子,节点周围处于高应力区,最终由于梁根部的破坏导致试件破坏.在整个加载过程中,两种组合结构节点的核心区均没有被破坏,满足“强节点弱构件”的设计要求.

图12 两种节点滞回曲线
Fig.12 Hysteresis curves of two kinds of joints

由图12可以看出,两种节点的滞回曲线均较饱满,但实复式的滞回环面积更大一些,说明实复式的耗能能力及抗震性能较好,即内嵌的圆钢管可起到有效的约束作用,抑制了内部混凝土的开裂.节点耗能能力对比结果如表3所示,计算分析结果表明实复式钢管混凝土节点的耗能能力相对空复式的提高了14%.

表3 节点耗能能力分析
Tab.3 Analysis for energy dissipation capability of joints

参数实复式空复式实复式/空复式he0.360.321.13E2.261.991.14

4.2 节点骨架曲线

骨架曲线能够反映出构件的延性以及承载力,如图13所示.延性是指结构屈服后仍具有塑性变形能力的性能.本文采用位移延性系数μ来衡量,μ值越大,延性越好.延性比可表示为

(6)

式中:μμ为极限位移与屈服位移的比值;Δy为梁端屈服位移;Δμ为梁端极限位移.表4、5分别为两种节点承载力和延性对比.由表4可知,实复式钢管混凝土柱钢梁节点的承载力较高,延性较好,且相对空复式钢管混凝土柱钢梁提高了0.5%.由表5可知,实复式钢管混凝土柱钢梁节点的延性相对空复式钢管混凝土柱钢梁节点提高了1.9%.在实复式钢管混凝土柱中,混凝土和钢管的相互作用有效地抑制了钢管屈曲,同时柱子内嵌的圆钢管也有效地延缓了核心混凝土的开裂,使得实复式钢管混凝土柱钢梁节点的延性得以提高.

图13 节点骨架曲线
Fig.13 Skeleton curves of nodes

表4 两种节点承载力对比
Tab.4 Comparison of bearing capacity of two kinds of joints

实复式/MPa空复式/MPa实复式/空复式277.412761.01

表5 两种节点延性对比
Tab.5 Ductility comparison of two kinds of joints

节点屈服状态Py/kNΔy/mm极限状态Pμ/kNΔμ/mm延性系数实复式166.9517.51277.4166.073.76空复式145.6316.65276.0061.503.69

4.3 强度退化

结构的强度退化[11]采用承载力降低系数来表示,其表达式为

(7)

式中:为延性系数为j时,第i次加载峰值点荷载的最小值;为延性系数为j时,第l次加载峰值点的荷载值.图14为强度退化曲线.由图14可知,实复式钢管混凝土柱钢梁节点的强度退化幅度较小,空复式钢管混凝土柱钢梁节点的强度退化幅度较大.相对空复式钢管混凝土柱钢梁节点,实复式钢管混凝土柱钢梁节点的强度退化降低了1%.

4.4 刚度退化

刚度退化取同一级的变形环线刚度来表示,环线刚度表达式为

(8)

式中:为延性系数为j时,第i次循环峰值点的荷载值;为延性系数为j时,第i次循环峰值点的变形值;n为循环次数.

图14 强度退化曲线
Fig.14 Strength degradation curves

图15为刚度退化曲线.由图15可知,实复式钢管混凝土柱钢梁节点的刚度退化幅度较小,空复式钢管混凝土柱钢梁节点的刚度退化幅度较大.相对空复式钢管混凝土柱钢梁节点,实复式钢管混凝土柱钢梁节点的刚度退化降低了6%.

图15 刚度退化曲线
Fig.15 Stiffness degradation curves

5 结 论

本文采用有限元ABAQUS软件对比分析了实复式钢管混凝土柱钢梁节点与空复式钢管混凝土柱钢梁节点的力学性能,得到如下结论:

1) ABAQUS模拟所得的实复式钢管混凝土柱钢梁节点滞回曲线能够较好地与试验滞回曲线吻合,说明所建模型具有合理性.滞回曲线较为饱满,说明该节点的抗震性能良好.

2) 从实复式钢管混凝土柱钢梁节点与空复式钢管混凝土柱钢梁节点的对比分析可以得出,前者承载能力相对后者提高了0.5%,耗能能力提高了14%,延性提高了1.9%.在强度退化与刚度退化方面,实复式钢管混凝土柱钢梁节点强度退化相比空复式降低了1%,刚度退化降低了6%.

3) 相比空复式钢管混凝土柱钢梁节点,实复式钢管混凝土柱钢梁节点的延性及抗震性能更好,说明内嵌的圆钢管可抑制核心混凝土的开裂,有效地提高了其抗震性能.

参考文献

[1]牟犇,陈功梅,张春巍,等.带外加强环不等高梁钢管混凝土柱组合节点抗震性能试验研究 [J].建筑结构学报,2017,38(5):77-84.

(MOU Ben,CHEN Gong-mei,ZHANG Chun-wei,et al.Experimental investigation on seismic behavior on steel unequal-depth-beams to CFT column connection with external diaphragm [J].Journal of Building Structures,2017,38(5):77-84.)

[2]巩牧华,蔡新江.轴压比对不同形式异形柱框架抗震性能的影响 [J].科技创新与应用,2017(8):260.

(GONG Mu-hua,CAI Xin-jiang.Effect of axial compression ratio on seismic behavior of different forms of special-shaped column frame [J].Science and Technology Innovation and Application,2017(8):260.)

[3]Edalat-Behbahani A,Barros J A O,Ventura-Gouveia A.Application of plastic-damage multidirectional fixed smeared crack modelin analysis of RC structures [J].Engineering Structures,2016,125(5):374-391.

[4]韩林海.钢管混凝土结构 [M].北京:科学出版社,2009.

(HAN Lin-hai.Steel tube concrete structure [M].Beijing:Science Press,2009.)

[5]李迪.钢管混凝土结构的研究现状及发展趋势 [J].四川建材,2016,42(2):51-52.

(LI Di.Studies on the status and development trend of concrete-filled steel tubular structures [J].Sichuan Building Materials,2016,42(2):51-52.)

[6]张冬芳,赵均海,张玉芬,等.复式钢管混凝土柱钢梁节点的抗震性能有限元分析 [J].世界地震工程,2013,29(1):49-59.

(ZHANG Dong-fang,ZHAO Jun-hai,ZHANG Yu-fen,et al.Finite element analysis of seismic perfor-mance of composite concrete-filled steel tube column-steel beam connection [J].World Earthquake Engineering,2013,29(1):49-59.)

[7]王颖,易坤.钢管混凝土结构及钢结构单层单跨框架力学性能分析 [J].沈阳工业大学学报,2018,40(1):115-120.

(WANG Ying,YI Kun.Mechanical properties analysis on concrete filled steel tube structure and steel structure with single span and single span frame [J].Journal of Shenyang University of Technology,2018,40(1):115-120.)

[8]薛建阳,杨青峰,刘祖强,等.型钢混凝土异形柱中框架和边框架抗震性能试验对比分析 [J].西安建筑科技大学学报(自然科学版),2016,48(3):316-320.

(XUE Jian-yang,YANG Qing-feng,LIU Zu-qiang,et al.Comparison and experimental analysis of the seismic performance of steel reinforced concrete exterior frame and middle frame with special-shaped co-lumns [J].Journal of Xi’an University of Architecture & Technology (Natural Science Edition),2016,48(3):316-320.)

[9]Qiu W L,Jiang M,Pan S S,et al.Seismic responses of composite bridge piers with CFT columns embedded inside [J].Steel and Composite Structures,2013,15(3):343-355.

[10]郭亚方,葛楠,陈海彬.基于ABAQUS的钢管混凝土T型柱节点抗震性能分析 [J].广西大学学报(自然科学版),2017,42(1):86-96.

(GUO Ya-fang,GE Nan,CHEN Hai-bin.Seismic performance of concrete filled steel tube T-typed column joint based on ABAQUS [J].Journal of Guangxi University (Natural Science Edition),2017,42(1):86-96.)

[11]徐嫚,韩振宁,王钧,等.方钢管混凝土柱——钢梁抗震性能分析 [J].山西建筑,2017,43(10):33-35.

(XU Man,HAN Zhen-ning,WANG Jun,et al.Study on seismic behavior of concrete-filled square steel tubular columns-steel beams [J].Shanxi Architecture,2017,43(10):33-35.)

Seismic performance analysis for column-beam joints with solid and hollow multiple concrete filled steel tubes

WANG Ying, BI Ling-yun

(School of Architecture and Civil Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

Abstract In order to compare and analyse the seismic performance of column-beam joints with solid and hollow multiple concrete filled steel tubes, the column-steel beam joints with multiple concrete filled steel tube were simulated with the finite element software ABAQUS, and the simulation results were compared with the experimental data. Through establishing the model for the column-steel beam joints with hollow multiple concrete filled steel tube, the comparative analysis for the seismic performance of column-steel beam joints with solid and hollow multiple concrete filled steel tubes was completed. The results show that the seismic performance indexes of column-steel beam joints with solid multiple concrete filled steel tube, including ductile coefficient, energy dissipation capacity, intensity degradation and stiffness degradation, were better than those of column-steel beam joints with hollow multiple concrete filled steel tube.

Key words solid multiple concrete filled steel tube; hollow multiple concrete filled steel tube; joint; finite element; seismic behavior; hysteresis loop; strength degradation; stiffness degradation

收稿日期 2017-06-02.

基金项目 国家自然科学基金资助项目(51008199).

作者简介 王 颖(1975-),女,辽宁丹东人,副教授,博士,主要从事钢混组合结构和工程抗震防灾等方面的研究.

*本文已于2018-06-07 12∶09在中国知网优先数字出版. 网络出版地址: http:∥kns.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20190627.1033.032.html

doi:10.7688/j.issn.1000-1646.2019.04.18

中图分类号: TU 398.9

文献标志码:A

文章编号:1000-1646(2019)04-0457-07

(责任编辑:钟 媛 英文审校:尹淑英)