方钢管混凝土柱-H形钢梁槽钢栓接节点抗震性能有限元分析.pdf

实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 28 期方钢管混凝土柱-H 形钢梁槽钢栓接节点抗震性能有限元分析赵力恒（内蒙古科技大学 土木工程学院，内蒙古 包头 014010）钢管混凝土结构将混凝土浇筑在钢管内，在一定轴压下钢管对混凝土产生约束进而提高混凝土的强度，改善混凝土脆性。混凝土也能延缓或避免钢管发生屈曲。在工程实践中通常采用钢管混凝土柱和钢梁的结构体系。钢梁-钢管混凝土柱节点是结构体系中的关键部分1-2。早期的钢管混凝土柱-钢梁连接节点主要采用焊接连接或栓焊混合连接的刚性节点。刚性节点转动能力和延性较差，易发生脆性破坏，因此有学者开始探索采用全螺栓节点代替刚性节点。李自林等3对隔板贯通式全螺栓连接节点的抗震性能进行了研究，研究结果表明，整体式隔板耗能能力强，在梁柱线刚度比较小时，适当增加梁高能提高节点的承载力。刘学春等4提出了法兰连接 L 形钢管混凝土柱与 H 型钢梁全螺栓连接节点。结果表明，采用不同连接件的节点均在拼接区外梁截面形成塑性铰，节点均有足够的刚度、承载力和良好的滞回性能。节点滑移后栓杆与孔壁挤压传力能够提高节点承载力。叶全喜等5提出了穿心板式钢管混凝土柱-钢梁栓接节点。研究表明，穿心板式栓接节点具有良好的刚度、延性、滞回性能及耗能能力。邓芃等6通过拟静力试验，研究了方钢管混凝土柱与钢梁内隔板式全螺栓连接节点的抗震性能。全螺栓连接节点与栓焊混合连接节点相比实现了塑性铰外移，试件延性好于栓焊混合节点，节点具备较稳定的耗能能力。王培成等7对 2 种不同构造的隔板贯通式边节点试件进行了拟静力试验，试验结果表明两种连接形式的抗震性能相当。试件的螺栓孔均为大圆孔，滑移荷载较低，极限荷载为滑移荷载的 4 倍左右。说明该种节点在螺栓滑移后仍具有较强的承载能力。本文提出了一种方钢管混凝土柱-H 形钢梁槽钢栓接节点，建立了ABAQUS 有限元数值模型，分析了参数变化对节点抗震性能的影响。作者简介：赵力恒（1997-），男，硕士研究生。研究方向为钢与混凝土组合结构。摘要：提出一种方钢管混凝土柱-H 形钢梁槽钢栓接节点，建立节点的 ABAQUS 有限元模型，对模型进行低周往复加载，分析侧板和槽钢厚度、侧板高度变化对节点抗震性能和转动刚度的影响。对节点的承载力、滞回曲线、骨架曲线、刚度退化曲线以及节点弯矩-转曲线等参数进行对比分析。结果表明，节点具有良好的承载力和耗能能力，增加侧板和槽钢厚度能使滞回曲线变得更加饱满，节点的承载力、割线刚度均有较大的提升；侧板高度增加对节点抗震性能的影响较小；增加侧板和槽钢厚度能明显提高节点刚度，侧板高度增加对节点刚度的提高较小。关键词：方钢管混凝土柱；栓接节点；抗震性能；节点刚度；有限元分析中图分类号院TU398.9文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤28-00缘怨-0源Abstract:A kind of channel steel bolted joint between concrete-filled square steel tube column and H-shaped steel beam isproposed,and the ABAQUS finite element model of the joint is established.The low-cycle reciprocating loading of the model iscarried out.The effects of side plate thickness and channel steel thickness and side plate height on the seismic performance androtational stiffness of the joints are analyzed.The bearing capacity,hysteretic curve,skeleton curve,stiffness degradation curve andmoment-rotation curve of joints are compared and analyzed.The results show that the joint has good bearing capacity and energydissipation capacity,and the hysteretic curve becomes fuller with the increase of the thickness of side plate and channel steel,andthe bearing capacity and Secant stiffness of the joint are greatly improved.The increase of side plate height has little effect onthe seismic performance of joints;increasing the thickness of side plate and channel steel can obviously improve the joint stiffness,while the increase of side plate height has little effect on the joint stiffness.Keywords:concrete-filled square steel tubular columns;bolted joints;seismic performance;joint stiffness;finite element analysisDOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.28.01559-2023 年 28 期实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application1节点模型及尺寸方钢管混凝土柱-H 形钢梁槽钢栓接节点，预先将侧板和剪切板焊接至钢管柱上。施工现场采用高强螺栓将槽钢、侧板和钢梁连接。其中，侧板与槽钢翼缘螺栓连接，钢梁翼缘与槽钢腹板螺栓连接。通过剪切板采用高强螺栓将钢梁腹板与柱连接。方钢管混凝土柱-H 形钢梁槽钢栓接节点 JDS-BASE 试件，梁截面尺寸为 250 mm伊150 mm伊6 mm伊8 mm，加载点至柱表面处距离为 1 300 mm，钢梁与柱表面有 10 mm 的安装间隙。侧板尺寸为 330 mm伊80 mm伊10 mm。槽钢厚度为 10 mm，翼缘宽度 80 mm，槽钢腹板高180mm，长 230mm。剪切板尺寸为 180mm伊100 mm伊8 mm。侧板与槽钢翼缘，槽钢腹板与钢梁上下翼缘之间均采用 6 个 10.9S/M16 螺栓连接。剪切板与梁腹板连接采用 3 个 10.9S/M16 螺栓，如图 1 所示。图 1JDS-BASE 试件尺寸在 JDS-BASE 试件的基础上变化槽钢和侧板厚度和侧板高度设置JDS-1试件和JDS-2试件，变化参数见表1。表 1试件参数变化2有限元参数设置节点试件有限元模型如图 2 所示。所有网格均选用 C3D8R。螺栓建模忽略螺纹和垫片，简化为哑铃状，5 mm 网格划分。侧板、槽钢和剪切板 10 mm 网格划分。钢管网格尺寸分为加密区和非加密区，其中加密区20 mm 网格划分，非加密区 40 mm。混凝土网格尺寸均为 40 mm。梁上网格划分也分为加密区与分加密区，加密区 15 mm 网格划分，非加密区 40 mm。图 2有限元模型钢材采用 Q235B，钢材本构模型采用两折线的随动强化模型，屈服强度取 235 MPa，极限强度取 420 MPa，弹性模量 Es=2.06伊105MPa，钢材强化阶段弹性模量取0.01Es。高强螺栓本构模型为各向同性的两折线模型。混凝土强度为 C40，混凝土受压本构采用考虑约束效应的核心混凝土的本构模型8，考虑混凝土损伤指数2。钢与混凝土界面摩擦系数取 0.6。焊接处采用绑定接触，为模拟角焊缝，接触方式为面与点集。摩擦接触设置：螺帽与板件、各板件之间，法向接触设置为硬接触，切向接触设置为摩擦接触，摩擦系数为 0.3；螺栓孔与螺杆之间仅设置法向硬接触。柱两端建立控制点，控制钢管和混凝土截面，控制点施加约束控制柱端为铰接约束，柱上轴压比为 0.3；在梁加载端截面建立控制点，施加低周往复位移。低周往复位移以层间位移角作为控制参数并进行分级加载，即层间位移角以 0.003 75、0.005、0.007 5、0.01、0.015 rad 递增，此后位移增量为 0.01 rad，直到试件达到破坏状态。加载点距柱轴线的距离为 1 400 mm，换算为加载端位移，有限元分析中加载次数对结果影响较小，每级加载一次。3有限元模拟结果分析3.1滞回曲线如图 3 所示：淤各试件滞回曲线总体呈现为“Z”形，正负向对称。滞回曲线中部的波纹状曲线对应了节点两次滑移和两次螺栓承压传力承载力提高。于与试件的 4 个受力阶段相对应，滞回曲线在每个阶段的特征变形为：弹性阶段，滞回环为斜线，线性变化；梁翼模型编号 槽钢 厚度/mm 侧板 高度/mm 侧板 厚度/mm 侧板螺栓型 号与数目 梁翼缘螺栓型 号与数目 JDS-BASE 10 80 10 M16/12 个 M16/12 个 JDS-1 12 80 12 M16/12 个 M16/12 个 JDS-2 12 100 12 M16/12 个 M16/12 个 单位：mm60-实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 28 期缘-槽钢腹板滑移阶段为一次滑移阶段，因为梁翼缘-槽钢腹板螺栓承压传力，承载力提高幅度较小，将该阶段归于一次滑移阶段，在该阶段，加载端位移增加但试件承载力变化较小，滞回环表现为平行四边形；盂槽钢翼缘-侧板发生滑移为二次滑移阶段，这一阶段滞回环为“Z”形；槽钢翼缘-侧板发生滑移后螺栓与孔壁承压传力，承载力增加，滞回环表现为中部阶梯上升的“Z”形。盂如图 3（a）所示，侧板和槽钢厚度增加，滞回曲线更为饱满，JDS-1 试件滞回曲线完全包裹 JDS-BASE试件的滞回曲线。如图 3（b）所示，侧板高度增加试件滞回曲线仅中部更为饱满。渊a冤侧板和槽钢厚度变化渊b冤侧板高度变化图 3不同节点滞回曲线对比3.2骨架曲线如图 4 所示，各试件骨架曲线大致分为 4 段：淤弹性阶段，骨架曲线为斜线，斜率变化较小；于一次滑移阶段，骨架曲线第一次出现水平段；盂第二次滑移发生阶段，加载端位移较大，发生螺栓承压传力，故骨架曲线中二次滑移段不是绝对的水平段；榆强化阶段，强化阶段骨架曲线为缓慢上升的曲线。如图 4（a）所示，试件侧板和槽钢厚度增加，各级加载时的荷载均大于JDS-BASE 试件。如图 4（b）所示，增加侧板高度，对试件骨架曲线的影响较小，试件骨架曲线重合度较高。由表 2 可知，JDS-1 试件较 JDS-BASE 试件正、负向一次滑移荷载分别增加了 4%和 3.9%，JDS-2 试件正、负向一次滑移荷载较 JDS-1 试件分别增加了 0.2%和 0.5%。JDS-1 试件正、负向二次滑移荷载较 JDS-BASE 试件分别增加了 6.6%和 8.8%，JDS-2 试件正、负向二次滑移荷载较 JDS-1 试件分别增加了 2.9%和0.7%。JDS-1 试件正、负向极限荷载较 JDS-BASE 试件分别增加了 5.8%和 5.9%，JDS-2 试件正、负向极限荷载较 JDS-1 试件均增加了 1.1%。侧板厚度和槽钢厚度增加，增加了刚度，提高了节点承载力。侧板高度增加，对试件承载力的影响相对较小。各试件的等效黏滞阻尼系数在 0.3 左右，试件均具有良好的耗能能力。渊a冤侧板和槽钢厚度变化渊b冤侧板高度变化图 4不同节点骨架曲线对比表 2试件主要性能指标3.3刚度退化曲线如图 5 所示，各试件的割线刚度退化曲线大致分为 3 个阶段，12 级加载时试件处于弹性阶段，刚度退化幅度较小，2 级加载时试件割线刚度约为初始割线刚度的 96%；35 级加载时，由于螺栓滑移以及节点区某些薄弱部位开始进入塑性阶段，试件刚度退化的速试件编号 加载 方向 一次滑移 荷载/kN 二次滑移 荷载/kN 极限荷载/kN 等效黏滞 阻尼系数 JDS-BASE 正向 61.5 64.35 92.35 0.299 负向 60.32 63.65 92.12 JDS-1 正向 63.96 68.59 97.73 0.319 负向 62.66 69.26 97.61 JDS-2 正向 64.11 70.58 98.84 0.326 负向 62.98 69.79 98.68 61-2023 年 28 期实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application率增加；611 级加载时因为螺栓承压传力和钢梁的塑性变形试件承载力增加，刚度退化速率减缓。11 级加载时割线刚度约为初始割线刚度的 15%。图 5不同节点刚度退化曲线对比侧板和槽钢厚度和侧板高度变化对试件的刚度退化趋势没有影响。JDS-1 试件初始割线刚度较 JDS-BASE试件增加了 7%。增加侧板厚度和槽钢厚度，增加了试件的割线刚度，随着加载的进行，割线刚度差别减小。JDS-2试件较 JDS-1 试件初始割线刚度增加了 4.9%，试件发生滑移后割线刚度相差较小。增加侧板高度仅能增加试件的初始割线刚度，对滑移后试件割线刚度的影响较小。3.4节点弯矩-转角曲线如图 6 所示，各节点的弯矩-转角曲线主要分为 3段：弹性段、滑移段和强化段。淤弹性阶段弯矩-转角曲线为斜直线；于滑移段，弯矩-转角曲线大至呈现为水平直线；盂强化段，为缓慢上升的曲线。增加侧板厚度和槽钢厚度能明显增加试件的转动刚度，减小试件破坏时的梁柱相对转角。增加侧板高度，节点的转动刚度在试件加载过程中均有小幅度提高。图 6不同节点弯矩-转角曲线对比表 3 中，JDS-1 节点的初始转动刚度较 JDS-BASE节点增加了 14%，节点极限弯矩对应的转动刚度 JDS-1 节点较 JDS-BASE 节点增加了 19.8%。JDS-2 节点的初始转动刚度较 JDS-1 节点的增加了 7.2%，节点极限弯矩对应的转动刚度，JDS-2 节点较 JDS-1 节点增加了 5.6%。各节点均为半刚性连接节点。4结论1）节点具有较高的承载力，节点滑移后承载力仍继续增加。节点试件的滞回曲线饱满，各试件的等效黏滞阻尼系数在 0.3 左右，节点具有良好的耗能能力。2）增加侧板和槽钢的厚度能明显提高节点的承载力、割线刚度。在侧板和槽钢厚度增加后，增加侧板高度对节点抗震性能的影响较小。3）增加侧板和槽钢厚度增加能明显提高节点刚度，减小试件破坏时的梁柱相对转角，侧板高度增加对节点刚度的提高较小。参考文献院1 王文达.钢管混凝土柱-钢梁平面框架的力学性能研究D.福州：福州大学，2006.2 李威.圆钢管混凝土柱-钢梁外环板式框架节点抗震性能研究D.北京：清华大学，2011.3 李自林，丁宏毅，薛江.全螺栓连接隔板贯通的方钢管混凝土柱-钢梁节点抗震性能试验J.土木工程学报，2014，47（7）：63-69，78.4 刘学春，王丹，张爱林.L 形钢管混凝土柱-H 型钢梁全螺栓装配节点抗震性能研究J.建筑结构学报，2022，43（1）：42-58.5 叶全喜，王元清，丁大益，等.穿心板式钢管混凝土柱-钢梁栓接节点抗震性能试验研究J.土木工程学报，2021，54（7）：24-33，53.6 邓芃，王来，李申琰，等.方钢管混凝土柱与钢梁全螺栓节点抗震性能试验研究J.建筑结构学报，2016，37（7）：19-28.7 王培成，杨锋，陈靖远，等.贯隔式钢管混凝土柱 H 形梁节点抗震性能的试验与有限元研究J.建筑钢结构进展，圆园圆员，圆猿（员）：源园原源苑援8 刘威.钢管混凝土局部受压时的工作机理研究D.福州：福州大学，2005.表 3节点转动刚度参数试件 编号 0K/（kN m rad-1）bb/EIL/（kNmrad-1）0bb/KEIL M u/（kNm）ubpMM uK/（kNmrad-1）JDS-BASE 22 367.97 3 057.48 7.32 120.06 1.37 2 195.04 JDS-1 25 511.77 3 057.48 8.34 127.05 1.45 2 630.49 JDS-2 27 369.17 3 057.48 8.95 128.49 1.47 2 778.89 注：表中 EIb为梁的抗弯刚度；Mu为节点极限弯矩；Mbp为梁的塑性截面弯矩；Lb为梁跨度（相邻两柱轴心间距离）；K0为初始转刚度；Ku为节点极限弯矩对应的转动刚度。62-