SRC柱—鋼梁混合節(jié)點(diǎn)受力性能參數(shù)分析

李光輝 何毅

摘要 作為一種新型建筑結(jié)構(gòu)體系，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度、承載力等方面明顯優(yōu)于普通RC結(jié)構(gòu)，具有良好的受力性能。在地震當(dāng)中，很多建筑物的倒塌是由于節(jié)點(diǎn)連接處破壞嚴(yán)重，說(shuō)明節(jié)點(diǎn)正常工作是保證整個(gè)結(jié)構(gòu)安全的重要前提。影響節(jié)點(diǎn)受力性能的因素有很多，在實(shí)驗(yàn)室條件下完成多種參數(shù)的影響分析費(fèi)時(shí)費(fèi)力。文章通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)和有限元軟件模擬結(jié)果可知，二者吻合良好，在此技術(shù)上進(jìn)行節(jié)點(diǎn)參數(shù)分析，綜合考慮了型鋼強(qiáng)度、混凝土強(qiáng)度和樓板寬度等4組參數(shù)對(duì)于節(jié)點(diǎn)受力性能的影響。結(jié)果表明，混凝土板厚度和型鋼強(qiáng)度對(duì)于節(jié)點(diǎn)受力性能影響較大。

關(guān)鍵詞 SRC柱—鋼梁混合節(jié)點(diǎn)；數(shù)值模擬；參數(shù)分析

中圖分類號(hào) TP274.52文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）23-0130-03

0 引言

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)型鋼混凝土柱—鋼梁（SRC柱—鋼梁）節(jié)點(diǎn)形式的研究較少。該文選用H形配鋼形式的中節(jié)點(diǎn)，通過(guò)有限元模擬試驗(yàn)，對(duì)節(jié)點(diǎn)尺寸、邊界條件、材料本構(gòu)進(jìn)行一一敘述，將試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值分析對(duì)比，驗(yàn)證模型的適用性，在此基礎(chǔ)上改變參數(shù)分析不同因素對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力的影響，為型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)應(yīng)用到工程實(shí)踐提供依據(jù)。

1 建立有限元模型

1.1 混凝土本構(gòu)模型

混凝土本構(gòu)模型采取《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010—2010）建議的混凝土單軸受壓和受拉應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線，根據(jù)上述方法和材性試驗(yàn)測(cè)得結(jié)果^[1]可以得到如表1所示模型參數(shù)值。

利用Abaqus軟件分析時(shí)，混凝土塑性損傷模型有5個(gè)材料參數(shù)需要設(shè)定，其中，σ_b0/σ_c0和K_C的取值用來(lái)決定屈服面在平面應(yīng)力及偏平面上的形狀，膨脹角和偏移值用來(lái)定義子午面上雙曲線流動(dòng)勢(shì)能面的形狀，黏性系數(shù)μ的取值大小可能由應(yīng)變軟化導(dǎo)致的分析是否可以收斂決定，默認(rèn)值為0，黏性系數(shù)越大，表明材料性質(zhì)較硬，黏性系數(shù)小，計(jì)算結(jié)果較接近真實(shí)情況，但容易導(dǎo)致計(jì)算不收斂^[2]，參數(shù)建議取值如表2所示。

1.2 鋼材本構(gòu)

采用Abaqus軟件中彈塑性模型定義型鋼柱、鋼梁、加勁肋、箍筋和縱筋的材料本構(gòu)。結(jié)合試驗(yàn)值將鋼材本構(gòu)設(shè)為雙折線模型^[3]，采用Mises屈服準(zhǔn)則，強(qiáng)化準(zhǔn)則采用的是隨動(dòng)強(qiáng)化準(zhǔn)則，模型假定流動(dòng)勢(shì)面函數(shù)與屈服面函數(shù)相同，且認(rèn)為拉壓彈性模量相同，鋼材屈服后彈性模量E′=0.01Es，應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系仍為線性，泊松比均取0.3^[4]。鋼材數(shù)據(jù)如表3所示。

1.3 單元選取及網(wǎng)格劃分

采用分離式型鋼混凝土建模方式建立模型，即通過(guò)對(duì)不同部件選用不同的單元。混凝土基于減縮積分的原理，采用八節(jié)點(diǎn)六面體線性減縮積分三維實(shí)體單元C3D8R，線性減縮積分單元比完全積分單元的計(jì)算結(jié)果更加精確；對(duì)于樓板內(nèi)部配筋和混凝土柱配筋，將其假定為只能受拉荷載作用的桁架單元，采用二節(jié)點(diǎn)三維Truss單元T3D2，輸出變量為軸向的應(yīng)力和應(yīng)變，有時(shí)還用來(lái)代表其他單元里的加強(qiáng)構(gòu)件，所以柱內(nèi)和板中的鋼筋就利用了桁架單元模擬；型鋼建模時(shí)，考慮方便組裝構(gòu)件等問(wèn)題，采用四節(jié)點(diǎn)減縮積分格式的三維殼單元S4R，優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)的內(nèi)部不占空間體積并且可以忽略厚度方向上的應(yīng)力，后續(xù)通過(guò)編輯界面賦予殼厚度，即完成建模^[5]。網(wǎng)格的劃分直接影響計(jì)算結(jié)果的收斂性和精確性。網(wǎng)格劃分過(guò)于稀疏，計(jì)算單元減少，耗時(shí)短，但往往引起計(jì)算結(jié)果誤差較大。網(wǎng)格劃分過(guò)密，計(jì)算單元多，耗時(shí)長(zhǎng)，容易發(fā)生不收斂的問(wèn)題。該文經(jīng)過(guò)多次嘗試，對(duì)比計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，選用網(wǎng)格尺寸為50 mm。

1.4 加載方式

梁端加載面取250 mm，通過(guò)在平面外建立參考點(diǎn)，并將參考點(diǎn)與加載面耦合，兩側(cè)參考點(diǎn)施加反對(duì)稱位移。取單調(diào)加載時(shí)單位梁端豎向位移δ作為位移加載控制初始級(jí)數(shù)，位移級(jí)數(shù)分為1δ、2δ、3δ、4δ、5δ、6δ，每一位移等級(jí)循環(huán)三次。構(gòu)件詳細(xì)配筋如表4所示。

2 有限元模型驗(yàn)證

在有限元分析過(guò)程中，混凝土板損傷最早出現(xiàn)在板柱交接區(qū)域并向外擴(kuò)展，最后板中間區(qū)域混凝土均達(dá)到最大損傷因子，可以視為破壞。鋼梁下翼緣處出現(xiàn)大面積的塑性區(qū)域，這些均與試驗(yàn)現(xiàn)象相符。

由SRC柱—鋼梁節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)和有限元軟件骨架曲線、模擬滯回曲線對(duì)比結(jié)果可見(jiàn)，有限元計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)趨勢(shì)大體一致。骨架曲線中，在正負(fù)彎矩作用下，試驗(yàn)與模擬的彈性階段差別不大。但正彎矩作用下，有限元模擬骨架曲線一直上升，與試驗(yàn)結(jié)果有所出入，負(fù)彎矩作用下峰值荷載也有些區(qū)別。正負(fù)彎矩作用下的極限位移和極限荷載差別不大。造成以上偏差的主要原因在于，試驗(yàn)中所用到的混凝土構(gòu)件在澆筑混凝土養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，因振搗不夠密實(shí)、養(yǎng)護(hù)不夠到位，造成混凝土內(nèi)部產(chǎn)生細(xì)微的裂縫、孔洞，對(duì)混凝土的力學(xué)性能產(chǎn)生了負(fù)面影響。在低周往復(fù)荷載作用下，混凝土板帶裂縫工作并不斷地開(kāi)裂、閉合，這一力學(xué)行為較復(fù)雜，且受很多因素影響制約。僅通過(guò)有限元模擬建立混凝土塑性損傷模型，不能十分準(zhǔn)確地還原出混凝土在正負(fù)彎矩作用下的損傷和受力狀態(tài)。并且在實(shí)際試驗(yàn)中，是通過(guò)抗剪栓釘傳力的方式將混凝土板與鋼梁有效連接。而有限元模擬則是通過(guò)將接觸面綁定約束的形式實(shí)現(xiàn)，與實(shí)際情況不完全相同，造成結(jié)果出現(xiàn)偏差。加載開(kāi)始前，構(gòu)件柱頂和柱底與試驗(yàn)裝置并非剛性連接，會(huì)不可避免地出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，與之相比，有限元建模的加載方式趨于理想化，沒(méi)有考慮實(shí)際滑移對(duì)最終結(jié)果的影響。有限元模擬是通過(guò)合并命令組裝鋼梁和型鋼柱，在型鋼骨架焊接中產(chǎn)生殘余應(yīng)力，也會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響。

綜上所述，試驗(yàn)與數(shù)值分析結(jié)果較為相似，使用Abaqus 軟件模擬SRC柱—鋼梁節(jié)點(diǎn)受力性能可信度較高。

3 節(jié)點(diǎn)參數(shù)分析

基于前文已經(jīng)驗(yàn)證的Abaqus在研究SRC柱—鋼梁節(jié)點(diǎn)基礎(chǔ)上的可靠性，現(xiàn)通過(guò)該軟件分別選取五組參數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)分析，即混凝土強(qiáng)度、鋼梁高度、樓板厚度、型鋼強(qiáng)度、樓板寬度，研究探討在不同參數(shù)的影響下，SRC柱—鋼梁節(jié)點(diǎn)受低周往復(fù)荷載作用時(shí)受力性能的不同表現(xiàn)。分析調(diào)整不同參數(shù)后，節(jié)點(diǎn)極限狀態(tài)型鋼滯回曲線、剛度退化的變化。參數(shù)取值如表5所示。

3.1 混凝土強(qiáng)度

通過(guò)模擬結(jié)果可以得出：采用不同強(qiáng)度的混凝土對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力的影響并不大，這是因?yàn)榛炷翉?qiáng)度的增加與抗拉能力的增加并不成線性關(guān)系，且抗拉能力均較低，混凝土強(qiáng)度越高，在壓潰之前使得鋼材強(qiáng)度發(fā)揮得比較充分，作用較為明顯，但混凝土破壞后，滯回曲線影響不大。位移20 mm之前，提高中節(jié)點(diǎn)混凝土強(qiáng)度對(duì)剛度退化曲線有一定影響，之后三條剛度退化曲線趨于一致，主要因?yàn)榛炷量估瓘?qiáng)度低，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，破壞嚴(yán)重，逐漸退出工作。

3.2 型鋼強(qiáng)度

通過(guò)模擬結(jié)果可以得出：節(jié)點(diǎn)的初始剛度受鋼材強(qiáng)度的影響較小，造成彈性階段范圍內(nèi)，滯回曲線的斜率幾乎不變。隨著后續(xù)循環(huán)加載，對(duì)于兩種節(jié)點(diǎn)形式，節(jié)點(diǎn)承載力與型鋼強(qiáng)度成正相關(guān)。因此，提高型鋼強(qiáng)度可顯著提高節(jié)點(diǎn)承載力。使用Q390鋼材的節(jié)點(diǎn)剛度始終最大。位移較小階段，Q235鋼材剛度退化速率稍快，之后三條曲線下降速率相似，位移較大時(shí)，Q390鋼材剛度退化速率加快，最終剛度退化曲線相差較小。

3.3 鋼梁高度

通過(guò)模擬結(jié)果可以得出：節(jié)點(diǎn)承載力及滯回性能隨著鋼梁高度的增加產(chǎn)生顯著變化。隨著鋼梁高度的增加，節(jié)點(diǎn)的初始剛度增大，梁端加載時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)力臂增大，在一定范圍內(nèi)，提高了節(jié)點(diǎn)的承載力。兩種節(jié)點(diǎn)梁高增大，剛度也有所增大。位移較小時(shí)，梁高234 mm的節(jié)點(diǎn)剛度退化較快，之后四條曲線下降速率比較接近，最終剛度退化曲線相差不大。

3.4 混凝土板厚度

通過(guò)模擬結(jié)果可以得出：彈性階段內(nèi)，混凝土板厚度對(duì)節(jié)點(diǎn)剛度影響不大，節(jié)點(diǎn)的屈服強(qiáng)度隨板厚度增加而提高。在正彎矩作用下，兩種節(jié)點(diǎn)的承載力都得到了顯著提高，這是因?yàn)榛炷恋目箟簭?qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度，在正彎矩作用下，混凝土板主要受壓，混凝土板抗壓性能隨著樓板厚度的增加而增強(qiáng)，從而提高了節(jié)點(diǎn)的承載力。在負(fù)彎矩作用下，隨著樓板厚度增加，板中受力鋼筋的高度發(fā)生變化，影響了組合梁截面的中和軸高度。節(jié)點(diǎn)板厚從100 mm增大到120 mm承載力提高的幅度較大。節(jié)點(diǎn)剛度退化趨勢(shì)大致為線性退化。位移較小階段，120 mm板厚的節(jié)點(diǎn)剛度最大，剛度退化也最快。隨著梁端位移加載的增大，三條曲線的剛度退化速率逐漸接近，但節(jié)點(diǎn)樓板厚120 mm的剛度仍然最大。

3.5 樓板寬度

通過(guò)模擬結(jié)果可以得出：從應(yīng)力分布圖來(lái)看，400 mm板寬節(jié)點(diǎn)型鋼應(yīng)力和其余三種情況差別明顯，板寬從800 mm變化到1 200 mm時(shí)，型鋼應(yīng)力分布幾乎沒(méi)有變化?；炷涟鍖拸?00 mm增加到800 mm時(shí)，滯回曲線面積變大，節(jié)點(diǎn)承載力明顯提高。當(dāng)從800 mm增加到1 200 mm時(shí)，幾乎沒(méi)有變化?？赡茉蛟谟跇前逵行挾仍?00～800 mm之間，超過(guò)樓板有效寬度以后，節(jié)點(diǎn)的承載力受板寬影響較小。樓板寬度400 mm的節(jié)點(diǎn)剛度始終小于其他三種板寬，且三種板寬的剛度退化曲線幾乎沒(méi)有差別。

4 結(jié)論

（1）因混凝土抗拉能力較弱，混凝土強(qiáng)度提高對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力幾乎無(wú)影響。

（2）Q345鋼與Q235鋼相比，節(jié)點(diǎn)的承載力提高明顯，達(dá)到極限應(yīng)力狀態(tài)時(shí)殘余剛度較大。Q390鋼相比于Q345鋼承載力提高的幅度不大。

（3）鋼梁高度的增加使得節(jié)點(diǎn)初始剛度和承載力都有提高，但核心區(qū)腹板最大應(yīng)力相應(yīng)增加，對(duì)節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

（4）混凝土板厚度的增加可以有效提高節(jié)點(diǎn)承載力，但也造成了鋼梁下翼緣塑性區(qū)域面積增大，對(duì)節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

（5）樓板寬度對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力的影響有一個(gè)有效寬度的范圍，超過(guò)這個(gè)值，樓板寬度增加對(duì)于節(jié)點(diǎn)承載力提高有限。

（6）該文建模過(guò)程中，沒(méi)有考慮型鋼與混凝土的黏結(jié)滑移影響，對(duì)抗剪連接件進(jìn)行了簡(jiǎn)化，將樓板與鋼梁綁定，造成了模擬結(jié)果理想化，這些都需要進(jìn)一步優(yōu)化，以求得更加貼合工程實(shí)際的有限元模型。

（7）該文選用的參數(shù)有限，沒(méi)有考慮樓板配筋率、鋼筋強(qiáng)度等因素對(duì)于節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響。每組參數(shù)的取值較少，在今后的研究中，宜擴(kuò)大影響因素的研究和參數(shù)值的選取。

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收稿日期：2023-08-10

作者簡(jiǎn)介：李光輝（1993—），男，研究生，工程師，從事高速公路技術(shù)管理工作。