鋼管混凝土扁柱-鋼梁節點抗震性能有限元分析

黃志鵬, 蔣 慶,2, 王瀚欽, 宣典春

(1.合肥工業大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009; 2.土木工程結構與材料安徽省重點實驗室,安徽 合肥 230009)

裝配式鋼結構具有重量輕、強度高、抗震性能好、施工速度快、工業化程度高等特點[1],符合建筑工業化和住宅產業化的發展方向。在高層裝配式鋼結構住宅建筑中,作為主要抗側力構件的鋼管混凝土柱,通常需要較大的截面尺寸,以滿足整體結構的剛度和承載力需求,從而導致建筑室內鋼梁及梁柱節點突出墻體的現象。為了解決上述問題,學者們提出不同類型的鋼管混凝土柱,如鋼管混凝土異形柱、鋼管混凝土扁柱、鋼管混凝土柱等,并提出相應的梁柱節點[2-8]。

文獻[2]分析鋼管混凝土扁柱的優缺點,并提出一種扁鋼管混凝土柱節點區域附加外套板增強、穿芯高強對拉螺栓連接節點形式,通過擬靜力試驗研究和有限元分析,驗證節點可以實現剛性連接,軸壓比、梁端板厚度以及加勁肋厚度對節點的承載力均有一定影響;文獻[3]提出一種矩形鋼管混凝土柱-H型鋼梁外頂板式節點,并對7個該種節點進行擬靜力試驗研究,結果表明節點滿足“強節點,弱構件”的設計要求,且增大頂板厚度或長邊高度可提高節點承載力,同時應嚴格控制焊接質量以避免發生焊縫破壞;文獻[4-6]對T型、十字型等鋼管混凝土異形柱與鋼梁連接節點進行低周往復加載試驗和有限元分析,得出所設計的鋼管混凝土異形柱與鋼梁連接節點抗震性能較好的結論;文獻[7]提出一種適用于鋼結構住宅的壁式鋼管混凝土柱(walled concrete-filled steel tubular column,WCFT column),通過對WCFT column的低周反復加載試驗及有限元分析,得出該種壁式柱具有良好的抗震性能的結論;文獻[8] 基于文獻[7]的研究提出一種WCFT column與鋼梁連接的側板式節點,并通過3個節點試件的擬靜力試驗發現,該種壁式鋼管混凝土柱與鋼梁連接的側板式節點具有較理想的抗震性能,可以應用于裝配式鋼結構建筑。

本文針對矩形截面的鋼管混凝土扁柱,提出一種新型的梁柱節點構造,采用ABAQUS有限元軟件分析節點的抗震性能,驗證該構造可以實現“強節點,弱構件”的設計目標,并進一步研究節點構造、軸壓比等參數對節點抗震性能的影響。

1 節點構造

本文提出的鋼管混凝土扁柱-鋼梁節點構造如圖1所示。鋼管混凝土扁柱由角鋼和豎向隔板焊接組成,形成多腔扁柱構造;鋼梁部分焊接在鋼管混凝土柱壁上,并且在梁端上下翼緣處分別焊接蓋板,在加勁肋處焊接梁端封板。

圖1 節點構造示意圖

本文設計研究4個鋼管混凝土扁柱-鋼梁節點,除了鋼梁對稱型中節點JD1外,還有鋼梁錯層中節點JD2、鋼梁弱軸方向對稱型中節點JD3以及弱軸方向鋼梁偏心中節點JD4。

4個節點柱截面尺寸均為450 mm×150 mm,柱強軸與柱弱軸方向節點在鋼梁截面尺寸上有細微差別,柱強軸方向鋼梁截面尺寸為350 mm×150 mm×6 mm×10 mm,而柱弱軸方向鋼梁截面尺寸為250 mm×150 mm×6 mm×10 mm。各組節點上、下蓋板尺寸一致,鋼管柱壁厚度均為8 mm。內部隔板厚度與上、下蓋板尺寸如圖2、圖3所示,圖2的單位為mm,圖3中,鋼管柱壁厚度為10 mm。模型尺寸參數見表1所列。

表1 模型尺寸參數 單位:mm

圖2 鋼管混凝土柱剖面圖

圖3 上、下蓋板尺寸

2 有限元模型建立

2.1 單元類型與網格劃分

本文采用大型有限元軟件ABAQUS對上述4個節點進行非線性有限元分析,模型按照實際設計構件尺寸參數進行建模。

有限元模型中的鋼管柱、鋼梁、上蓋板以及下蓋板等鋼構件與混凝土部分均采用八節點六面體線性減縮積分單元C3D8R。網格尺寸在一定程度上會影響模型計算的收斂性和結果的準確性,經過多次試算最終確定鋼梁部分網格邊長為30 mm,鋼管混凝土柱網格邊長為50 mm,其余部件網格邊長為25 mm。

2.2 材料本構模型與相互作用

本文所有鋼構件采用的鋼材強度均為Q235B,填充混凝土強度為C30。在ABAQUS中,鋼材采用混合強化本構模型并參考文獻[9]的參數進行設置,彈性模量取Es=200 GPa,泊松比取0.3,其余參數取值見表2所列。鋼管混凝土柱中的核心混凝土材料本構模型采用文獻 [10]中塑性損傷模型參數計算,泊松比取0.2。有限元模型采用tie約束模擬實際焊接連接。鋼管柱與填充混凝土接觸面切向定義的摩擦系數參考文獻[11]推薦的鋼材與混凝土的界面摩擦系數,取值范圍為0.25,法向定義為“硬接觸”。

表2 鋼材混合強化本構模型參數

2.3 邊界條件與加載方式

本文的有限元模型依據設計構件試驗進行加載,在柱頂施加水平往復位移,柱底設置鉸支座,鋼梁梁端設置鉸支撐。在ABAQUS有限元軟件中,通過約束柱底X、Y、Z方向的平動自由度、梁端Y、Z方向自由度,模擬試驗的邊界條件,并且在梁翼緣部分區域設置Z方向的平面外約束,防止試件發生平面外位移,邊界條件如圖4所示。

圖4 有限元模型示意圖

有限元模型的加載方式如下:首先在指定位置施加軸壓力(軸壓比n=0.2),在整個加載過程中保持軸壓力不變;然后在有限元模型中的柱頂施加X方向的低周往復荷載。加載制度參考文獻 [12]采用位移加載,位移角分別取0.375%、0.500%、0.750%、1%、2%、3%、4%所對應的位移,具體如圖5所示。

圖5 加載制度示意圖

因為在ABAQUS有限元模型中沒有考慮金屬的累積損傷,所以軟件中每個加載級只加載1圈。

2.4 有限元驗證模型

為了驗證有限元建模方式的正確性,本文選取文獻[13]中的SJ1作為驗證模型。運用上述建模方式以及材料本構進行建模,模擬結果的滯回曲線與參考文獻的試驗結果滯回曲線以及與試驗現象的對比如圖6、圖7所示。

圖6 荷載-位移曲線對比結果

圖7 試驗現象與模擬結果對比

從圖6可以看出,由于有限元分析沒有考慮焊縫開裂的情況,模擬得到的滯回曲線更為飽滿,沒有出現“捏縮”現象;除此之外,模擬滯回曲線的剛度和峰值承載力與試驗曲線吻合較好。從圖7可以看出,模型屈服應力發生位置與試驗鋼梁塑性鉸產生位置大致相符,說明本文的有限元建模方式具有合理性。

3 有限元模擬結果與分析

3.1 節點破壞模式

各個節點的有限元模擬結果Mises應力云圖如圖8所示。

圖8 節點Mises應力云圖

從圖8可以看出,JD1～JD4 4個節點在加載過程中梁端上、下蓋板外側翼緣局部達到屈服應力,同時節點核心區域隔板未達到屈服應力。由此可以得出,4個節點的破壞模式均為鋼梁先發生塑性鉸,符合“強柱弱梁,強節點弱構件”的抗震設計要求。

對于弱軸方向梁偏心節點JD4,根據 Mises應力云圖可以發現,在梁翼緣局部達到屈服應力的同時,鋼管混凝土扁柱節點區域的柱壁也達到屈服應力。ABAQUS有限元模擬的柱端荷載-位移(F-Δ)滯回曲線如圖9所示。

圖9 節點滯回曲線和骨架曲線

圖9中,4個節點的滯回曲線均呈現為飽滿的梭形,說明本文設計的鋼管混凝土扁柱-鋼梁節點具有良好的滯回耗能能力。從圖9a、圖9b可以看出,柱強軸方向節點JD1、JD2的滯回曲線幾乎重合,柱弱軸方向節點JD3、JD4也同樣如此,說明鋼梁位置變化對于節點滯回性能的影響較小。

從圖9c可以看出:JD1正向最大承載力約為195.9 kN,負向最大承載力約為-203.7 kN;JD2正向最大承載力約為201.1 kN,負向最大承載力約為-208.4 kN;JD3正向最大承載力約為81.0 kN,負向最大承載力約為-83.5 kN;JD4正向最大承載力約為77.5 kN,負向最大承載力約為-79.9 kN。

3.2 軸壓比對節點受力性能的影響

為了研究柱端軸壓比對節點受力性能的影響,將軸壓比分別取為0.1、0.3、0.4(BASE模型軸壓比n為0.2),在JD1～JD4的BASE模型基礎上根據不同軸壓比改變在柱頂施加的軸力,并且保持其他參數不變的情況下進行有限元模擬運算。最終得到不同軸壓比下各節點的荷載-位移曲線,結果如圖10所示。

圖10 JD1～JD4在不同軸壓比下的荷載-位移曲線

從圖10可以看出,隨著軸壓比從0.1提升至0.4,承載力隨之不斷減小。出現該現象的原因是鋼管柱的P-Δ效應,即隨著豎向軸力的增大,由軸力產生的附加彎矩隨之增大,同時柱端承載力隨之減小。節點模型受力簡圖如圖11所示,節點結構所受外力為豎向軸力N、水平推力P,對柱底支座取矩,根據彎矩平衡可得:

圖11 節點受力簡圖

PLc+NΔ=FLLb+FRLb

(1)

其中:Lc為柱頂受力點距柱底鉸支座軸心距離;Δ為柱頂加載點水平位移;FL、FR為鋼梁兩側支座處反力;Lb為鋼梁支座距柱子豎向軸線距離。若外力產生彎矩不變,在同樣的水平位移Δ下,當柱頂豎向軸力N提高,水平推力P會相應下降,因此柱端承載力也隨之下降。柱端豎向軸力以軸壓比0.1為基準,各節點在不同軸壓比下模擬柱端峰值承載力差值與實際計算峰值承載力差值,對比結果見表3所列。

表3 軸壓比提高對承載力的影響

表3中,以n=0.1為基準,位移為116 mm。從表3可以看出,模擬值與計算值吻合良好,說明節點的柱端承載力下降是由于鋼管柱的P-Δ效應導致的。

3.3 梁端豎向加勁肋對節點受力性能的影響

結合有限元模擬結果的應力云圖,節點的應力集中主要發生在鋼梁與鋼管柱壁連接處。為了緩解梁柱連接處應力集中的現象,將梁端蓋板替換為加勁肋構造。

JD1～JD4改為加勁肋構造后的荷載-位移曲線如圖12所示。

圖12 JD1～JD4在加勁肋構造下的荷載-位移曲線

從圖12可以看出:將鋼管混凝土扁柱-鋼梁節點中的梁端蓋板改為豎向加勁肋構造后,節點的滯回曲線趨勢沒有明顯變化,說明梁端加勁肋構造對于節點滯回性能沒有明顯影響;同時豎向加勁肋構造對于節點的承載力影響亦不明顯。

模型JD1蓋板構造與加勁肋構造等效塑性應變(equivalent plastic strain,PEEQ)分布對比如圖13所示。從圖13可以看出,加勁肋構造有效緩解了梁柱連接處應力集中的現象。

圖13 模型JD1蓋板構造、加勁肋構造PEEQ分布對比

3.4 豎向隔板削弱厚度的影響

對于鋼管混凝土扁柱構件,弱軸方向相較于強軸方向的抗彎剛度有一定程度的削減,因此弱軸方向的節點抗震性能一般低于強軸方向。

為了研究鋼管混凝土扁柱-鋼梁節點在弱軸方向的豎向隔板對于節點抗震性能的影響,將JD3、JD4的隔板厚度削弱至6 mm,并在不同節點構造下進行模擬計算。

JD3柱端位移加載至29 mm時不同板厚及構造下的Mises應力云圖、節點的滯回曲線如圖14、圖15所示。從圖14、圖15可以看出,在加載至相同位移條件下,隔板削弱至6 mm的蓋板構造節點核心區域隔板均已達到材料屈服狀態。

圖14 JD3豎向隔板Mises應力云圖

圖15 JD3不同節點構造及豎向隔板厚度滯回曲線

該現象說明:豎向隔板厚度對于節點的抗震性能有明顯影響;同時,將蓋板構造改為豎向加勁肋構造后,由于加勁肋增加了節點域范圍,節點核心區域隔板應力明顯減小。

4 結 論

1) 本文提出的鋼管混凝土扁柱-鋼梁連接節點在柱端水平荷載作用下,鋼梁首先形成塑性鉸,節點域處于彈性狀態,可以滿足“強節點,弱構件”的抗震設計要求;節點滯回曲線均為較飽滿的梭形,具有良好的滯回性能。由于P-Δ效應的存在,隨著柱端軸壓比由0.1提高到0.4,柱端的峰值承載力隨之遞減。

2) 通過對鋼管扁柱與鋼梁之間的連接構造分析可以看出,將蓋板構造改為豎向加勁肋構造可以有效緩解梁柱連接處的應力集中。

3) 將柱弱軸方向節點JD3的豎向隔板厚度削弱后發現,節點的承載力發生一定程度下降,因此豎向內隔板的厚度對鋼管混凝土扁柱-鋼梁節點的抗震性能有較大的影響。