异形截面钢管混凝土框架结构作为近几年来出现的一种新型结构形式, 因其具有良好的环境效益和社会效益, 在实际工程中已得到了广泛的应用[1]。目前, 国内外的研究主要是集中在对这一类构件的试验方面[2,3,4], 而对其非线性有限元的理论分析较少, 为了更好的了解异形截面钢管混凝土柱-钢梁节点的工作和受力性能, 本文主要利用有限元软件ABAQUS[5]建立了四个T形钢管混凝土柱与工字型钢梁连接的外加强环式顶层边节点模型, 对其进行低周往复荷载作用下的模拟分析, 通过建立正确的材料本构模型, 设置合理的参数, 以及有效的网格划分, 得出此节点的滞回曲线抗震性能指标。本文还通过改变混凝土、钢材强度等级、钢管壁厚以及轴压比这些参数, 对节点进行了滞回性能影响的分析, 为将来异形柱节点的研究提供一定的基础。
一、有限元模型的建立
本文主要建立了四个节点模型, 具体编号及参数见图1和表1, 钢管内填C40混凝土, 钢材均采用Q235钢。为了缩短计算时间, 减小计算成本, 对模型进行了一定的简化。
(一) 单元选取及界面模型
在节点模型中, 钢管采用壳单元S4R, 钢梁、外加强环板、连接板、加劲肋以及管内核心混凝土均采用三维实体单元C3D8R, 顶部加载板、底部垫板采用解析刚体, 并通过在板中心处设置参考点RF实现荷载的施加和边界的约束条件。
混凝土与钢管内壁的界面模型在切线反向采用库仑摩擦模型, 取摩擦系数为0.25, 法线方向采用“硬接触, 有限滑移”;混凝土与顶部加载板、底部垫板的连接采用只考虑法线方向的硬接触;其它构件之间的连接均采用TIE进行自由度耦合模拟。有限元模型的网格划分采用映射自定义网格划分, 通过设置合理的网格密度, 以确保其计算精度和计算效率, 模型及网格划分如图2所示。
(二) 材料的本构模型
核心混凝土选用ABAQUS[5]中提供的塑性损伤模型进行模拟, 其中混凝土受压的本构关系采用韩林海[6]提出的公式;混凝土受拉的本构关系采用沈聚敏[7]提出的表达式;针对钢管混凝土在承受循环荷载作用时的特点, 钢材在三向受力状态下采用文献[6]的二次塑流本构关系。
(三) 加载方式、边界条件及求解
本文主要采用位移加载控制, 节点的边界条件:对底部垫板的参考点施加X、Y、Z三个方向的位移约束 (模拟铰支座) , 节点右侧横梁端部放松X方向位移, 在Y、Z方向上施加位移约束 (产生侧移) , 顶部加载板参考点施加X方向上的水平往复位移荷载和Z方向上的轴向荷载。模型主要采用牛顿迭代法进行非线性求解。
二、理论分析结果
(一) 节点有限元破坏形态图及理论分析
根据有限元模拟分析结果表明, 编号为TE-1、TE-2和TE-3的节点, 其破坏形态相同, 均为剪压复合应力状态下的节点核心区剪切破坏, 为“弱节点”。
以节点TE-1为例进行理论分析。图3 (a) 为节点加载初期, 因荷载比较小, 各构件均处于弹性工作阶段, 试件外观没有明显变化;随荷载增大, 构件进入到弹塑性工作阶段, 从图4的节点区应力分布及发展云图可以看出, 应力在下加强环板与U形柱连接的节点角隅处最大, 且逐渐沿对角线向整个节点区域扩散, 此处为节点的薄弱点, 剪力也最大, 进入到塑性阶段以后, 整个节点域处于轴压力、弯矩及剪力的复合应力状态下, 为最不利受荷状态, 然后达到破坏。图6 (a) 为试件屈服时的主矢图, 与应力云图一致, 说明节点域主要承受剪力作用。而且, 试件破坏时, 钢梁尚未达到屈服, 属于节点核心区破坏, 如图7 (a) 所示。
TE-4为典型的“强节点, 弱构件”, 节点加载初期与TE-1一样, 处于弹性工作阶段, 试件外观没有明显变化, 如图3 (b) 所示;随着荷载的增大, 构件进入到弹塑性工作阶段, 从图5可以看出, 应力在横梁的变截面处达到最大, 产生集中, 然后向整个翼缘扩散并延伸。这主要是因为梁翼缘与节点处外加强环板厚度相差较大引起, 梁的刚度被削弱, 使得塑性铰在此处形成, 钢梁达到屈服, 节点域完好, 试件破坏。图6 (b) 为钢梁屈服时的主矢图, 从图中可以看出, 梁上部翼缘拉应力最大, 加强环板的应力远小于梁端的应力, 整体为钢梁的破坏, 如图7 (b) 所示。
(二) 有限元滞回曲线
图8为各节点的有限元滞回曲线图, 均呈现出饱满的梭形, 说明这种加强环式节点具有比较好的滞回耗能性能。
三、参数分析
为了更深入的研究异形柱节点的受力性能, 本文在节点TE-2的基础上通过改变混凝土、钢材强度等级、钢管壁厚以及轴压比这些参数, 对节点进行了滞回性能影响的分析, 得出的骨架曲线分别如图9、10、11、12所示。
从图9可以看出, 混凝土强度等级的改变对节点的滞回性能影响不是很大, 这主要是因为节点柱钢管壁较薄, 对核心混凝土的约束作用不强, 且节点为异形节点, 形状也不规则, 所以节点承载力提高不明显。从图10可以看出, 随着钢材屈服强度等级的增大, 弹性阶段无变化, 后期变化显著, 对节点的滞回性能产生了一定影响。这主要是因为随着钢材屈服强度值的提高, 其屈服应变和极限应变也相应增大, 并且对核心混凝土的约束作用也加强, 所以使得节点后期的承载力也得以提高。从图11可以看出, 随着钢管壁厚的增加, 曲线弹性阶段不明显, 随后有显著提高, 然后趋于稳定。这主要是因为钢管壁厚的增加使整个构件的含钢率提高, 比重增大, 对核心混凝土的约束套箍效应也增强, 因而承载力得以显著提高, 后期, 因为钢管壁厚过大后, 核心区混凝土抗剪能力达到最大值时, 钢管的应力可能还很低, 随荷载的继续增加, 核心区混凝土的承载力开始下降, 其横向变形还在不断增加, 这就相当于给钢管壁施加了一个额外的荷载, 削弱了钢管的抗剪承载力, 因此后期作用已不明显, 但是整体上还是提高了节点的承载力的, 只是效果不如图10的明显。从图12可以看出, 轴压比的改变对节点的承载力及滞回性能产生了比较大的影响, 说明轴压比是构件抗震性能飞行重要的一个指标。
四、结论
本文主要通过有限元建模对T形钢管混凝土柱-钢梁外加强环式节点进行了非线性有限元分析, 研究了其在低周往复荷载作用下的抗震性能, 得出以下结论:
(1) 节点TE-1、TE-2和TE-3的破坏形态相同, 均为剪压复合应力状态下的节点核心区剪切破坏, 节点TE-4为钢梁的局部屈曲破坏, 通过有限元模拟得出的破坏形态与设计的“弱节点、强节点”破坏模式相符, 说明利用有限元软件对构件抗震性能进行非线性分析是可行的;
(2) 各节点模拟得出的滞回曲线均呈现饱满的梭形, 说明这种加强环式节点具有比较好的滞回耗能性能。但有限元建模偏于理想化, 本文尚未建立恢复力模型进行计算, 所以存在一定的缺陷与误差。
(3) 通过参数分析发现, 影响节点滞回性能的主要因素是轴压比、钢材屈服强度和钢管壁厚, 而混凝土强度等级影响不大。
摘要：为了更好的研究异形截面钢管混凝土框架节点的抗震性能, 本文主要利用有限元软件ABAQUS建立了相应的三维实体节点模型, 对其进行计算机模拟和理论分析。通过剖析各节点在低周往复荷载作用下的应力分布和破坏机理情况明晰各节点的宏观变形形态和微观应力状态, 并给出了相应的滞回曲线。同时, 本文还通过改变混凝土强度等级、钢材强度等级、钢管壁厚以及轴压比这些参数, 对节点进行了滞回性能影响的分析, 为将来异形柱节点的研究提供一定的基础。
关键词：异形截面钢管混凝土,框架节点,有限元,理论分析,滞回性能
参考文献
[1] 张喜德, 杨涛等.混凝土异形柱结构特点及其应用分析[J].广西工学院学报, 2007.
[2] 康谷贻, 巩长江.单调及低周反复荷载作用下异形截面框架柱的受剪性能[J].建筑结构学报, 1997.
[3] Cheng-Tzu Thomas Hsu T-Shaped Reinforced Concrete Members under Biaxial Bending and Axial Compression.ACIStructural Journal, 1989, 86 (4) :25-42.
[4] 曹祖同, 陈云霞等.钢筋混凝土异形柱框架节点强度的研究[J].建筑结构, 1999 (1) .
[5] 刘展.ABAQUS6.6基础教程与实例讲解[M].北京:中国水利水电出版社, 2008.
[6] 韩林海.钢管混凝土结构-理论与实践[M].北京:科学出版社, 2007.
[7] 沈聚敏, 王传志, 江见鲸.钢筋混凝土有限元与板壳极限分析[M].北京:清华大学出版社, 1993.