圆钢管混凝土柱-钢梁削弱式节点抗震性能研究.pdf

第46卷 第3期2023年6月Vol.46 No.3Jun.2023辽 宁 科 技 大 学 学 报Journal of University of Science and Technology Liaoning圆钢管混凝土柱-钢梁削弱式节点抗震性能研究孙昊，李吉人（辽宁科技大学 土木工程学院，辽宁 鞍山114051）摘要：为探究圆钢管混凝土柱-钢梁结构体系中梁柱削弱式节点的抗震性能，建立翼缘犬骨削弱和腹板圆孔削弱两种形式的节点在水平往复荷载作用下的有限元计算模型，对两种节点的破坏模式、能量耗散性能和节点延性进行对比研究。计算结果表明，不同削弱形式的节点翼缘板均发生弯扭破坏，腹板区域发生屈曲破坏。两种削弱形式极限承载力和刚度退化规律相似，建议对梁翼缘犬骨削弱范围不大于0.25bf，梁腹板圆孔削弱范围不大于0.35hb。相对于翼缘削弱节点，腹板削弱节点在水平往复荷载作用下易发生面外失稳，但其具有更好的耗能能力。实际工程中，对面外稳定性有更高要求时可采用翼缘削弱式节点，对于梁端约束且削弱区段可替换情况下可采用腹板削弱式节点，以满足不同的梁柱节点对抗震性能的要求。关键词：钢管混凝土柱；翼缘犬骨削弱；腹板圆孔削弱；梁柱节点；抗震性能中图分类号：TU318.9文献标识码：A文章编号：1674-1048（2023）03-0222-10DOI：10.13988/j.ustl.2023.03.010钢管混凝土柱是在薄壁钢管内填充混凝土，将两种不同性质的材料组合而形成的结构。素混凝土的抗压强度高但抗弯强度较低，而钢材的抗弯强度和弹塑性能较好，钢管混凝土的组合发挥了两种材料的优势，使结构具有较高承载力、良好的塑性和韧性性能，且施工方便，已广泛应用于工业厂房、高层建筑和桥梁等结构中1。借鉴目前较为成熟的钢管混凝土梁柱节点形式并进行改进，利用外环板节点将圆钢管混凝土柱与削弱梁进行组合，该削弱式组合节点的优势在于即可实现往复荷载作用下节点塑性铰的有效外移，也能够满足震后可恢复环板的强节点工程设计需求。目前国内外学者对钢管混凝土梁柱节点已开展诸多研究。钱炜武等1建立叠合柱-钢梁连接节点力学性能分析的有限元模型，发现不同加载方式对节点承载力影响显著，且空间连接节点相比平面节点承载力降低14%以上。童乐为等2考虑多种影响因素条件下设计了5个框架节点梁柱组合体，结果表明，节点发生局部屈曲和腹板剪切破坏两种破坏模式，无论单侧受弯还是双侧受弯都表现出良好的承载性能和抗震性能。Li等3建立往复荷载作用下圆钢管混凝土柱-钢梁外环板节点有限元分析模型，给出混凝土塑性损伤取值办法，并得出，外环板宽度的增加会减小两端核心区变形，厚度的增加会使得核心区剪切变形减小，核心区高径比对刚度变化无明显影响，但能提高核心区抗剪承载力。圆钢管混凝土-H型钢梁节点具有承载力高和构造美观简约的优点，且圆钢管对中心混凝土的约束作用区别于方钢管，具有各向同性的良好性能，使结构易于满足“强柱弱梁”的设计要求。同时，节点的设计充分考虑延性及抗震能耗，防止钢收稿日期：2023-03-17。基金项目：国家级大学生创新创业训练计划（202110146029）；教育部产学合作协同育人项目（202002129034）；辽宁省普通高等教育本科教学改革研究项目（辽教办 2021 254号-No.230）；辽宁科技大学实验教学改革项目（SYJG202351）。作者简介：孙昊（1998），男，河南开封人。研究方向：钢结构与组合结构。通讯作者：李吉人（1981），男，辽宁盖州人，讲师。研究方向：钢结构与组合结构。第3期梁产生脆性破坏，采取外环板构件强化的形式实现塑性铰外移。文献 4-7 研究削弱型梁在静力荷载作用下承载力性能，并给出削弱区段参数设计的计算模型。张玉芬等8设计两种复式钢管混凝土外环板节点连接形式，经参数分析验证了其具有优越抗震性能。文献 9-12 也证明圆钢管混凝土节点形式具有良好承载力性能。如何将这种成熟的连接形式在更有效地突出其抗震优势的同时极大地减轻对自身结构的破坏是发展完善钢管混凝土梁柱节点体系的必经之路。因此，本文将外环加强板应用于翼缘犬骨削弱和腹板圆孔削弱组合形式节点，采用有限元模拟节点在往复荷载作用下的承载力状况，分析其抗震性能，对两种节点的破坏模式、能量耗散性能以及节点延性进行对比研究，可为削弱式组合节点的抗震设计及其工程应用提供理论依据和参考。1有限元模型建立1.1有限元模型本文设计翼缘犬骨削弱和腹板圆孔削弱两种削弱方式，与圆钢管混凝土柱组合形成柱-钢梁削弱式节点，并在有限元软件中建立相应的数值模型，以探究两种削弱式节点的抗震性能。犬骨的削弱深度计算方法4a=(0.50.75)bfb=(0.650.85)hbc0.25bfR=(4c2+b2)/8c（1）式中：a表示起始削弱位置与柱翼缘的距离；b、c表示犬骨削弱长度和深度；bf表示钢梁翼缘宽度；hb表示钢梁高度；R表示圆弧削弱的半径。参照文献 13 确定腹板削弱孔径尺寸。翼缘犬骨削弱和腹板圆孔削弱模型如图1所示。两种削弱方式所在区域在距柱端相同范围内，柱截面及钢梁截面尺寸如图2所示。节点模型主要包括圆钢管混凝土柱、外环板、H型钢梁及加劲肋，外环板连接于柱外侧与H型钢梁之间，上下翼缘依靠腹板和加劲肋固定。外环板与圆钢管柱、加劲肋与外环板之间的焊缝均采用有限元软件中的绑定接触（Tie contract）。圆钢管柱与混凝土之间考虑滑移作用，切向采用“罚摩图1两种削弱模型示意图Fig.1Schematic diagram of two weakening models孙昊，等：圆钢管混凝土柱-钢梁削弱式节点抗震性能研究 223辽 宁 科 技 大 学 学 报第46卷擦”，系数取0.4，法向采用“硬接触”。1.2模型单元与网格划分模型为完全轴对称，考虑有限元计算收敛性及精度和准确性，模型中钢管、混凝土等实体单元采用C3D8R八节点六面体线性减缩积分单元。外环板、H型钢梁和加劲肋部分属于薄壳结构，采用S4R四节点减缩积分单元，其中圆钢管与内浇混凝土网格尺寸均取20 mm，H钢梁、加劲肋与外环板网格尺寸均取15 mm。两种模型网格划分如图3所示，边界条件如图4所示。模型具体构件信息如表1所示。其中，OMS（Original model section）为 无 削 弱 节 点 模 型；FRS1FRS7（Flange reduced section）为钢梁翼缘犬骨削弱模型；WRS1WRS5（Web reduced sec-tion）为钢梁腹板圆孔削弱模型。表1模型参数Tab.1Model parameters模型编号OMSFRS1FRS2FRS3FRS4FRS5FRS6FRS7WRS1WRS2WRS3WRS4WRS5a/mm无削弱0.50bf0.50bf0.50bf0.50bf0.50bf0.50bf0.50bf0.50bf0.50bf0.50bf0.50bf0.50bfb/mm无削弱100100100100100100100100100100100100c/mm无削弱0.15bf0.20bf0.25bf0.30bf0.35bf0.20bf0.20bf0.25bf0.30hb0.35hb0.30hb0.30hb轴压比0.200.200.200.200.200.200.250.300.200.200.200.250.30图2柱截面及钢梁截面尺寸示意图Fig.2Schematic diagram of column section and steel beam section size图3两种模型网格划分Fig.3Mesh generation of two models图4两种模型边界条件示意图Fig.4Schematic diagram of boundary condition of two models 224第3期1.3本构关系钢材采用Q345B，本构模型采用双折线随动强化模型14，并加入钢材循环硬化参数，该模型满足von Mises流动法则，包含各向同性模型和随动强化模型，能较为准确地模拟该类柱梁连接节点在地震荷载作用下的钢材力学性能。钢材应力应变关系及混凝土本构关系如图5和图6所示。fu和fy为钢材的抗拉强度和屈服强度，Es为钢材初始弹性模量，Es为强化模量，通常=0.01，y为钢材屈服应变，u为达到钢材抗拉强度后对应的应变，t0为峰值压应力，c0为峰值拉应力，t0、c0分别为峰值压、拉应变。图5钢材应力-应变关系Fig.5Stress-strain relationship for steel图6混凝土本构关系Fig.6Concrete principal structure relation混凝土采用C30等级混凝土，本构采用韩林海等提出的混凝土模型5，该模型适用于钢管约束下的混凝土。1.4加载模式设置两个分析步模拟构件加载过程，第一个分析步中施加柱顶轴力，第二个分析步中施加水平往复荷载。水平往复荷载在加载时采用位移控制加载，加载初期以位移10 mm为级差逐级加载，直到梁端位移加载到60 mm时，再以20 mm为级差逐级加载，每一级循环加载1次，当梁端位移达到150 mm时停止加载。加载制度如图7所示。图7水平往复荷载加载制度Fig.7Loading protocol of horizonal reciprocating load2有限元分析结果选取相同削弱比及轴压比等参数的翼缘犬骨削弱模型（FRS4）以及腹板圆孔削弱模型（WRS2）与无削弱模型（OMS）进行破坏机理的对比分析。2.1模型破坏分析无削弱和两种削弱结构整体应力云图如图8所示。三种模型节点破坏均为梁端产生塑性铰，节点域柱体部分应力相对较小。OMS模型应力集中主要发生在环板附近的翼缘及腹板处；FRS4模型主要发生在翼缘削弱区域的翼缘处，少部分在腹板处；WRS2模型主要发生在圆孔削弱区域的腹板周围，少部分发生在翼缘处。WRS2模型塑性铰外移较为明显，FRS4模型次之。这是由于节点削弱造成梁端特定区域承载力下降，腹板的削弱致使钢梁的屈曲变形更严重，WRS2模型节点域承载力下降程度大于 FRS4 模型，且两种削弱模型下降程度均大于 OMS 模型，节点域破坏后产生较大塑性变形。孙昊，等：圆钢管混凝土柱-钢梁削弱式节点抗震性能研究 225辽 宁 科 技 大 学 学 报第46卷图8结构应力云图，MPaFig.8Structural stress nephogram，MPa各模型削弱节点域应力云图如图9所示。结构模型发生破坏时，钢梁梁端与外环板连接处发生应力集中，核心区加劲肋处应力较低。由于钢管对混凝土的约束作用，核心区混凝土维持在三向受压状态下，塑性变形能力得到提升，在低轴压比情况下钢管柱与内浇混凝土几乎未发生变形。钢梁犬骨削弱处破坏吸收能耗，未削弱形式节点处外环板与钢梁连接处发生破坏，梁翼缘削弱与梁腹板圆孔削弱形式节点均在削弱处发生破坏，而外环板较未削弱模型并未发生明显变形，表明结构在钢梁削弱处产生塑性铰，较好的保护了梁柱连接外环板。图9钢梁削弱节点域应力云图，MPaFig.9Stress nephogram of steel beam in weakened joint zone，MPa组合节点翼缘板均发生弯扭破坏，腹板区域发生屈曲破坏，且圆形腹板切削模型能量耗散性能最优。该类结构主要由梁柱环板连接处受力，破坏模式均为梁端产生塑性铰且铰区域显著外移，即在外环板与钢梁交界处的梁端削弱处产生塑性铰，避免塑性铰区域出现在外环板上。加劲肋板及核心区钢管混凝土应力较小，说明节点刚度大，符合“强柱弱梁”和“强节点弱构件”的结构设计要求。节点区域刚度破坏模态如图10所示。混凝土和钢管的节点域刚度较大，且此时钢管与混凝土均为单独受力，钢管与混凝土存在轴向滑移现象，但滑移量较小，这是由于钢管对混凝土有约束作 226第3期用。钢梁削弱区及外环板区域应力更为集中，且腹板圆孔削弱模型节点域应力集中情况最为明显，钢梁及环板区域应力远大于钢管和柱内混凝土。OMS模型应力集中区域为外环板，犬骨削弱模型FRS4应力集中发生在削弱区段翼缘与腹板交界处，腹板圆孔削弱模型WRS2应力集中区域主要在腹板削弱处。两种削弱模型均能使塑性铰外移，且腹板削弱形式较犬骨削弱模型破坏效果更明显，说明其具有更强的耗能能力。图10节点域刚度破坏模态Fig.10Stiffness failure mode in joint zone节点区域滞回破坏模态如图11所示。模型滞回位移由左至右愈来愈大，其中腹板圆孔削弱模型破坏位移更大，主要是由于腹板削弱后造成此区域刚度变小，抵抗低周往复荷载的能力减弱情况更趋明显。犬骨削弱模型翼缘区段与圆孔削弱区段对应的翼缘部分均发生弯扭的耗能破坏，而腹板圆孔削弱区段对应的翼缘部分区域塑性应变最大，说明腹板削弱模型吸收能耗能力较强。图11节点域滞回破坏模态Fig.11Hysteretic failure mode in joint zone节点区域失稳破坏模态如图12所示。构件发生严重破坏情况时，往往伴随有面外失稳情况发生。腹板圆孔削弱发生面外破坏最为严重，这是孙昊，等：圆钢管混凝土柱-钢梁削弱式节点抗震性能研究 227辽 宁 科 技 大 学 学 报第46卷由于腹板削弱后，其节点域承载力显著下降，进入塑性阶段后，被削弱腹板的节点域刚度发生退化，翼缘区段发生弯扭破坏，致使梁体发生较为严重的面外失稳。图12节点域面外失稳破坏模态Fig.12Out-plane buckling failure mode in joint zone2.2计算结果分析2.2.1滞回曲线两种削弱形式模型的滞回曲线如图13所示。两种削弱模型滞回曲线形状基本一致，呈梭形，无捏缩现象发生。犬骨削弱形式曲线较圆孔削弱形式更为饱满，滞回曲线所围的面积更大，说明犬骨削弱形式的耗能性能更高。两种曲线整体较饱满，表明这两类节点均具有良好的塑性变形能力和耗能能力。图13两种模型滞回曲线Fig.13Hysteresis curves of two models节点模型受力整体可分为三个阶段，加载初期模型各部分处于弹性阶段，滞回曲线呈线性；随着加载进行，节点连接处及钢梁削弱处发生屈服，进入弹塑性阶段，滞回曲线开始呈现非线性变化，结构承载力不断增加到极限承载力；随着位移继续增加，结构承载力开始下降，钢梁削弱处发生明显变形，结构整体逐渐失去承载力，最终发生破坏。在低轴压比情况下，犬骨削弱深度为0.25bf时，曲线较其他模型更为饱满，节点能耗性能更为突出；圆孔削弱孔径越大，节点的延性越好，且当削弱孔径为0.35hb时，节点延性表现更为突出。2.2.2承载力分析选取对节点力学性能影响较大的削弱深度和削弱孔径两个参数进行分析。模拟分析时采用控制变量法，只改变所研究的参数，其余参数和相关设置保持不变，两种削弱形式节点模型的骨架曲线如图14所示。228第3期图14两种模型骨架曲线Fig.14Skeleton curves of two models两种模型的骨架曲线都呈S形，在往复荷载作用下，都经历弹性、塑性和极限破坏的完整过程。随着削弱深度增加，模型极限承载力下降，但削弱深度小于0.25bf时，下降幅度不大。削弱深度为0.15bf、0.20bf、0.25bf、0.30bf、0.35bf的模型比未削弱的模型正向极限承载力分别下降 2.81%、4.97%、5.49%、21.26%、34.01%，负向极限承载力分别下降6.85%、9.90%、8.98%、25.07%、39.88%。削弱深度小于0.25bf时，各模型在加载中期承载力下降较大，但到后期差距会逐渐缩小。选取轴压比为0.20时，梁腹板圆孔削弱深度分别为0.25hb、0.30hb、0.35hb，各模型骨架曲线走势基本一致，弹性阶段基本重合，进入塑性阶段后各模型差异逐渐增大。随着削弱深度增大，模型极限承载力下降，削弱深度为0.30hb的模型正向极限承载力在后期略微超过0.25hb模型。削弱深度为0.25hb、0.30hb、0.35hb的模型比未削弱模型正向极限承载力分别下降 12.19%、10.18%、60.07%，负 向 极 限 承 载 力 分 别 下 降 11.45%、14.54%、68.1%。当削弱深度小于0.35hb时，梁腹板圆孔削弱深度对模型极限承载力有一定影响；当削弱深度为0.35hb时，模型极限承载力大幅度下降。这主要是因为H型钢梁在承受竖向荷载时，钢梁腹板承担大部分弯矩，腹板削弱一定尺寸后，钢梁整体抗弯性能变差，使极限承载力降低。翼缘犬骨削弱深度小于0.25bf时，削弱深度对其极限承载力影响不大，但当削弱深度增至0.30bf、0.35bf时，其极限承载力大幅度下降，故翼缘犬骨削弱范围应在0.15bf0.25bf之内，腹板圆孔削弱范围应在0.20hb0.30hb之内。低轴压比条件下，两种削弱形式节点模型中，除了FRS4、FRS5和WRS3模型外，其余削弱模型极限承载力差别较小，正向极限承载力最大相差6.77%，负向极限承载力最大相差5.73%。在加载中期时，腹板圆孔削弱模型承载力略高于翼缘犬骨削弱模型，但到加载后期，翼缘犬骨削弱模型承载力反超腹板圆孔削弱模型。选取梁翼缘犬骨削弱深度为0.25bf、梁腹板圆孔削弱深度为0.30hb的模型进行对比，加载至30 mm时，腹板圆孔削弱模型正向极限承载力高于翼缘犬骨削弱模型约13.7%，随后两者差距逐渐缩小，翼缘犬骨削弱模型正向极限承载力高于腹板圆孔削弱模型约5.22%。两种削弱模型总体延性表现较好，均可用于高烈度地震地区。2.2.3延性分析节点的延性系数的计算式=uy（2）式中：y为屈服位移；u为达到极限荷载时梁端位移。两种节点削弱模型延性系数如表2所示。轴压比为0.20时，梁翼缘犬骨削弱模型平均延性系数为3.65，梁腹板圆孔削弱模型为4.19。这表明模型在低轴压比情况下都表现出较好的延性行为，腹板圆孔削弱模型延性整体高于翼缘犬骨削弱模型。随着轴压比增大，各削弱节点模型延性均有增加。可见，轴压比对该类结构延性有一定促进作用，构件整体延性表现较好，可应用于高烈度地孙昊，等：圆钢管混凝土柱-钢梁削弱式节点抗震性能研究 229辽 宁 科 技 大 学 学 报第46卷震区的建筑中。表2延性系数Tab.2Ductility factors模型编号OMSFRS1FRS2FRS3FRS4FRS5FRS6FRS7WRS1WRS2WRS3WRS4WRS5y/mm正向36.5440.9242.4643.9644.2840.3140.2539.0036.3736.4632.7635.5834.92负向35.1838.0839.2740.7740.9736.8338.0436.8535.1235.2630.9134.6533.69u/mm正向149.49147.74146.48149.55149.48149.77145.96149.14149.37149.40148.90149.90148.88负向143.84139.03136.82140.12140.37125.62139.02142.12149.69149.57147.54149.68147.94延性系数4.093.633.473.423.403.573.643.844.124.104.154.214.252.2.4刚度退化根据节点模型在同级位移下的环线刚度变化确定外环板节点的刚度退化规律。环线刚度Kj的定义Kj=i=1nPiji=1nuij（3）式中：Pij为模型的加载级别为j级时，加载循环第i次时的荷载峰值；uij为模型的加载级别为j级时，加载循环第i次荷载峰值时的位移。两种削弱模型的刚度退化曲线如图15所示。同类削弱模型在不同削弱程度时的刚度退化规律相同，正负刚度基本对称；随着加载的进行，各模型刚度退化速度逐渐减缓。随着削弱深度和削弱孔径的增加，模型初始刚度降低，加载中期各模型刚度差异增大，但在翼缘犬骨削弱深度小于0.25bf时，最终刚度趋于一致；腹板削弱孔径为 0.35hb时，模型刚度退化较为严重。3结论（1）两种削弱形式均可使塑性铰发生外移，节点塑性损伤均集中在削弱区段附近，且翼缘变形损伤程度远大于腹板，钢管混凝土柱核心区段刚度较大，符合“强柱弱梁”和“强节点弱构件”设计原则。在往复荷载作用下，钢梁削弱区段发生塑性损伤，产生能耗，节点外环板区域得到有效保护。图15两种模型刚度退化曲线Fig.15Stiffness degradation curves of two models（2）低轴压比情况下，轴压比的变化对模型前期承载力发展影响不显著，而对后期破坏变形发育影响较大；相同削弱深度或削弱孔径条件下，随着轴压比增大，节点耗能能力提升，表明节点具有良好的承载能力和抗震性能。（3）翼缘及腹板两种削弱形式的节点，翼缘板均发生弯扭破坏，腹板区域发生屈曲破坏。外环板与钢梁连接区域为薄弱区，易发生屈曲破坏。两种削弱形式极限承载力和刚度退化规律相似，建议对梁翼缘犬骨削弱范围不大于0.25bf，梁腹板圆孔削弱范围不大于0.35hb。（4）相对于翼缘犬骨削弱节点，腹板圆孔削弱节点在水平往复荷载作用下易发生面外失稳，但其具有更好的耗能能力。实际工程中，对面外稳定性有更高要求时，可采用翼缘犬骨削弱式节点；对于梁端约束且削弱区段可替换情况下，可采用腹板圆孔削弱式节点，以满足不同的梁柱节点对抗震性能的要求。230第3期参 考 文 献：1 钱炜武，李威，韩林海，等.往复荷载作用下钢管混凝土叠合柱-钢梁连接节点力学性能研究 J.土木工程学报，2017，50（7）：27-38.2 童乐为，黄俊峰，王开元，等.矩形钢管混凝土柱-H形钢梁小尺度外环板式节点滞回性能研究 J.建筑结构学报，2023，44（2）：142-153.3 LI W，HAN L H.Seismic performance of CFST column-to-steel beam joints with RC slab：analysis J.Journalof Constructional Steel Research，2011，67（1）：127-139.4 聂少锋，叶梦娜，武杨凡，等.方钢管约束型钢混凝土柱-RC 环梁节点抗震性能 J.建筑科学与工程学报，2019，36（2）：84-91.5 韩林海，陶忠，刘威.钢管混凝土结构：理论与实践 J.福州大学学报（自然科学版），2001，29（6）：24-34.6 王沛怡，胡少伟，齐浩，等.带狗骨式削弱梁段的装配式梁柱节点抗震性能研究 J/OL.建筑结构：1-8.https:/ 2023-03-05.7 史艳莉，毛文婧，黄秋秋，等.带内隔板的方钢管混凝土柱-翼缘削弱型钢梁节点抗震性能研究 J.工程抗震与加固改造，2017，39（2）：11-17.8 张玉芬，吴鑫秀，朱戈.复式钢管混凝土外环板节点抗震性能有限元分析 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tubular column-steel beam structure，the finite element calculation models of flange reduced sec-tion and web reduced section joints under the action of lateral reciprocating load were established.The failuremodes，energy dissipation performance，and ductility of the two different joints were compared.It is shownthat flange plates of different weakened joints exhibit flexural-torsional failure，and the web regions exhibitbuckling failure.The ultimate bearing capacity and stiffness degradation of the two different joints are similar.It is suggested that the size of the flange reduced section is less than 0.25bfand the size of the web reducedsection is less than 0.35hb.Compared with flange reduced section joint，out-plane buckling failure occurs eas-ily in the web reduced section joint and the energy dissipation capacity is better.In the actual project，flange re-duced section joint will be selected for the requirement of out-plane stability.Web reduced section joint will beselected for the constrained beam end and replaceable weakened parts.The requirements of seismic perfor-mance for the different beam-column joints will be satisfied.Keywords：concrete filled steel tubular column；flange reduced section；web reduced section；beam-columnjoints；seismic performance（Received March 17，2023）孙昊，等：圆钢管混凝土柱-钢梁削弱式节点抗震性能研究 231