復(fù)式鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)的削弱設(shè)計(jì)及其對抗震性能的影響研究

李偉浪

（江西理工大學(xué)土木與測繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000）

0 引言

過去的一段時(shí)間里，人們對傳統(tǒng)的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究較多，主要側(cè)重在混凝土、立柱、橫梁、連環(huán)板等結(jié)構(gòu)方面的研究，而對復(fù)式鋼管混凝土構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的研究則較少。從幾次大地震來看，以往抗彎框架的剛性連接方式并不能達(dá)到人們所預(yù)期的目的，于是提出了削弱鋼梁的方式，形成“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的抗震設(shè)計(jì)理念。本文主要針對復(fù)式鋼管混凝土柱-H梁節(jié)點(diǎn)鋼梁受力進(jìn)行研究分析，研究鋼梁腹板削弱和鋼梁翼緣削弱兩種設(shè)計(jì)方式，重點(diǎn)研究這種設(shè)計(jì)對抗震性能的影響，這對復(fù)式鋼管混凝土在實(shí)際工程的應(yīng)用具有理論指導(dǎo)意義。

1 試件設(shè)計(jì)

在試件設(shè)計(jì)中，首先對節(jié)點(diǎn)的柱的構(gòu)造進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)《新型組合結(jié)構(gòu)柱—試驗(yàn)、理論與方法》[1]、《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[2]提到的矩形鋼管混凝土柱邊長尺寸應(yīng)≥150mm。模型按照1∶2比例縮尺建模，本文設(shè)計(jì)的鋼管混凝土外柱為250mm×250mm，內(nèi)柱為150mm×150mm，兩層柱的截面如圖1所示，柱壁厚度≥3mm，柱壁厚度為12mm，柱高取1800mm，滿足規(guī)范要求。按照規(guī)范規(guī)定，混凝土強(qiáng)度等級(jí)不低于C30。復(fù)式鋼管混凝土柱的承載力較大，為了節(jié)省混凝土材料，故采用C30混凝土。鋼梁采用的尺寸為250mm×125mm×8mm×10mm[3]。

圖1 兩層柱的截面節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格圖

具體施工工序：先在外鋼柱與梁端連接部位鑿孔，為了方便施工，孔可以稍大→內(nèi)、外鋼柱固定好→將鋼梁與內(nèi)鋼柱焊接→進(jìn)行內(nèi)、外鋼柱兩層混凝土澆筑[4]→外加強(qiáng)環(huán)板與鋼梁、外鋼柱進(jìn)行焊接[5]。

2 鋼梁腹板削弱對節(jié)點(diǎn)抗震性能影響

腹板削弱形狀如圖2所示，各削弱參數(shù)如表1所示。其中a、b分別為矩形削弱的寬和長，r為圓形削弱與半圓形削弱的半徑[6]，x、y分別為十字形削弱小矩形寬和長。

圖2 鋼梁腹板削弱平面示意圖

表1 鋼梁腹板削弱形狀參數(shù)

2.1 滯回曲線

滯回曲線如圖3所示。由圖3可知，4種節(jié)點(diǎn)的滯回曲線均經(jīng)歷了彈性階段，加載初期曲線呈直線上升。NFB-JX節(jié)點(diǎn)的滯回曲線較規(guī)則飽滿，節(jié)點(diǎn)鋼梁腹板削弱形狀較規(guī)則，而其他3種節(jié)點(diǎn)由于鋼梁腹板削弱較不規(guī)則，在每次循環(huán)加載到峰值點(diǎn)后，由于鋼梁承載力不足，不能恢復(fù)到最大的應(yīng)力值，滯回曲線出現(xiàn)不規(guī)則的情況。說明節(jié)點(diǎn)NFB-JX的抗震性能要優(yōu)于其他3種節(jié)點(diǎn)。

圖3 不同削弱形式四種節(jié)點(diǎn)的滯回曲線

2.2 骨架曲線

由圖4可知，4個(gè)節(jié)點(diǎn)的骨架曲線均經(jīng)歷了彈性階段，屈服位移有差別，在加載初期4條曲線的斜率基本重合，加載初期節(jié)點(diǎn)的性能相差不大，加載中后期，4條曲線增長緩慢，由于鋼梁腹板削弱導(dǎo)致鋼梁承載力下降，4個(gè)節(jié)點(diǎn)的極限荷載均較小[7]。鋼梁腹板削弱形狀不同，曲線的屈服荷載、極限承載力也不同。其中節(jié)點(diǎn)NFBJX的極限承載力最大。節(jié)點(diǎn)NFB-BY因?yàn)殚_孔面積相較與其他3個(gè)節(jié)點(diǎn)最小，所以屈服荷載與極限承載力比節(jié)點(diǎn)NFB-YX、NFB-SZ大。可見鋼梁腹板削弱形狀、開孔面積大小對節(jié)點(diǎn)的承載力、抗震性能影響較大。

圖4 4種不同鋼梁腹板削弱節(jié)點(diǎn)骨架曲線

2.3 延性系數(shù)與承載力

延性系數(shù)與承載力見表2，由表2可知，節(jié)點(diǎn)的延性系數(shù)均大于3，說明4個(gè)節(jié)點(diǎn)均具有良好的抗震性能。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)NFB-BY的開孔面積最小，其屈服荷載、極限承載力最大，延性系數(shù)也最大。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)NFBJX、NFB-YX、NFB-SZ開孔平面面積大小相等，節(jié)點(diǎn)NFB-JX因?yàn)槠溟_孔形狀相較于節(jié)點(diǎn)NFB-SZ、NFBYX來說較規(guī)則，所以其屈服荷載、極限承載力、延性系數(shù)也更大。說明節(jié)點(diǎn)NFB-BY可承受的塑性變形更大、抗震性能更好。

表2 節(jié)點(diǎn)延性系數(shù)與承載力

3 鋼梁翼緣削弱對節(jié)點(diǎn)的抗震性能影響

鋼梁翼緣削弱位置如圖5所示，削弱參數(shù)如表3所示。按照規(guī)范《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[8]，所取削弱參數(shù)如下：削弱寬度f，取0.65h＜f＜0.85h，這里取175mm；削弱深度h取0.08bf、0.16bf、0.24bf，其中bf為梁翼緣寬度；梁端到削弱區(qū)中心距離e取225mm，g?。?.5～0.75）bf，削弱端離梁端距離d取137.5mm。

圖5 鋼梁翼緣削弱構(gòu)造圖

表3 節(jié)點(diǎn)鋼梁翼緣削弱構(gòu)造參數(shù)（單位：mm）

3.1 滯回曲線

從圖6可知，4種節(jié)點(diǎn)的滯回曲線均經(jīng)歷了彈性階段，加載初期曲線呈直線上升。4種節(jié)點(diǎn)滯回曲線均較飽滿。其中節(jié)點(diǎn)NXR-30的滯回曲線高度較低，相對其他3個(gè)節(jié)點(diǎn)的滯回曲線沒那么飽滿，到達(dá)的峰值荷載也較小，這是因?yàn)樵诩虞d過程中出現(xiàn)鋼梁的承載力不足，加強(qiáng)環(huán)板又得不到充分利用，說明削弱深度太大會(huì)降低節(jié)點(diǎn)的抗震性能[9]。

圖6 不同削弱深度節(jié)點(diǎn)滯回曲線

3.2 骨架曲線

骨架曲線如圖7所示，4個(gè)節(jié)點(diǎn)的骨架曲線均經(jīng)歷了彈性階段，屈服位移相差較大，在加載初期4條曲線的斜率基本重合，加載初期節(jié)點(diǎn)的性能相差不大，隨著鋼梁翼緣削弱深度的增加，曲線的屈服荷載、極限承載力下降。可見鋼梁翼緣削弱深度的增大不利于提升節(jié)點(diǎn)的抗震性能。

圖7 4種不同削弱深度降低骨架曲線

3.3 節(jié)點(diǎn)延性與承載力

節(jié)點(diǎn)延性與承載力見表4。由表4可知，4種不同鋼梁翼緣削弱深度的屈服荷載、極限承載力、屈服位移、延性系數(shù)均隨著削弱深度的增大而減小。節(jié)點(diǎn)延性系數(shù)基本大于3，節(jié)點(diǎn)均具有良好的延性，進(jìn)入塑性狀態(tài)后所能承受的變形能力更大。節(jié)點(diǎn)NXR-0延性系數(shù)最大，具有更好的塑性變形能力，抗震性能也更優(yōu)[10]。

表4 4種不同鋼梁翼緣削弱深度節(jié)點(diǎn)延性與承載力

4 結(jié)束語

利用ABAQUS軟件研究復(fù)式鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)的削弱設(shè)計(jì)，分析這種結(jié)構(gòu)對抗震性能的影響，得出以下結(jié)論：

（1）節(jié)點(diǎn)NFB-JX、NFB-BY的抗震性能良好，均能形成“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的抗震設(shè)計(jì)理念。

（2）在鋼梁腹板削弱平面面積相等的情況下，削弱越規(guī)則的節(jié)點(diǎn)抗震性能越好；抗震性能又與削弱平面面積大小密切相關(guān)。

（3）考慮到實(shí)際施工成本和材料，在設(shè)計(jì)與施工過程中，可以考慮對鋼梁腹板進(jìn)行矩形或者半圓的削弱。

（4）各節(jié)點(diǎn)的抗震性能良好，均能形成“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的抗震設(shè)計(jì)理念，并且隨著鋼梁翼緣削弱深度的增大，抗震性能逐漸減弱。又考慮到實(shí)際施工成本和材料，鋼梁翼緣削弱深度控制在0～10mm之間更優(yōu)。