方钢管混凝土柱—钢梁抗震性能分析★

徐 嫚 韩振宁 王 钧 梁思雨

(1.东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040； 2.中国地震局工程力学研究所，黑龙江 哈尔滨 150090)



方钢管混凝土柱—钢梁抗震性能分析★

徐 嫚1,2韩振宁1*王 钧1梁思雨1

(1.东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040； 2.中国地震局工程力学研究所，黑龙江 哈尔滨 150090)

介绍了套筒连接方钢管混凝土柱和钢梁的新型半刚性节点形式特点，通过ABAQUS有限元模拟循环加载方式，分析了此节点在改变套筒厚度下的节点受力机理，研究了此类节点的滞回曲线与骨架曲线等，得到了该节点的抗震性能。

方钢管混凝土，半刚性节点，抗震性能，ABAQUS

改革开放以来，我国经济迅速发展，很多高层建筑在生活中会被看到。随着增加建筑高度，一定会导致增加重力荷载，并因此导致试件截面扩展[1]。钢管混凝土结构可以处理这些问题，使得建筑物内部空间扩大，外形美观[1-3]。

在钢管里浇筑混凝土变成的组合结构就是钢管混凝土。采用对不同样式的截面进行划分，可以分为圆形、方形和多边形钢管混凝土等形式(韩林海[4])，如图1所示。应用最多钢管混凝土的截面是圆形截面和方形截面。实际工程中表明了方钢管对混凝土有良好的约束作用，尤其是在加载后期，充分发挥方钢管的约束作用，提高了构件的延性。

依据不同的刚度性能，可以把节点划分为刚接、铰接和半刚性连接，连接分类见图2。与铰接、刚性连接进行对比，具有更好节点的抗震性能是半刚性连接[5-7]。以半刚性连接为前提条件下，节点的破坏模式、位移反应、内力分布，极限承载力都可以被我们较精确的计算出[8-10]。

一种新的半刚性节点形式由本课题组提出，并且运用有限元软件ABAQUS对节点进行循环荷载分析，以此得出此节点的抗震性能[11-13]。

1 新型半刚性节点的形式

钢管混凝土柱与钢梁是通过套筒连接，套筒是用4块钢板焊接而成，套筒与钢梁的上下翼缘和腹板是完全焊接，节点构造详图参见图3。

节点的具体尺寸如表1所示。同时设定轴压比n=0.23，轴力N=770 kN。套筒厚度分别设为4和7。

表1 有限元分析构件尺寸

2 有限元模型建立

在ABAQUS中通过控制坐标对二维平面创建几何实体模型。在ABAQUS中，不能直接定义材料属性，因此要先定义截面属性，再为截面属性里选定材料。

对于钢材我们采用的是Q235钢，弹性模量取的是E=2.06×105N/mm2，泊松比为0.3，密度为78.5 N/mm2。混凝土[14,15]与钢材本构关系模型如图4所示。

确定材料属性后，需要进行装配，分析步的设置，定义各个接触面的相互作用，施加荷载，对模型进行网格划分，分析作业并提交计算。

3 节点抗震性能分析

3.1 节点的破坏形态

通过ABAQUS建立好有限元模型，在左右梁端施加循环荷载，柱顶施加固定的轴力，以此模拟试验的加载方式。可以得到图5的破坏形态，图5为有限元模拟试件的破坏形态。由图5可以看出，节点的破坏表现为：两侧钢梁发生扭曲，套筒发生鼓曲现象。

3.2 滞回曲线

滞回曲线，也叫恢复力曲线，节点各项性能主要是靠它反映，尤其是节点抗震性能。它还反映在节点受到循环荷载条件下的变形特征，能量消耗等特性。本文设计三个不同套筒厚度的节点形式，通过ABAQUS得出三个节点的滞回曲线，如图6所示。有限元模拟出的滞回曲线如图6所示，从图6可看出节点的强度和刚度退化不明显。在钢梁归位时，基本保持弹性阶段。有限元模拟是对左右钢梁进行循环加载，因此可以看出滞回曲线是按一三象限对称。

3.3 骨架曲线

在对梁施加循环加载过程中，把滞回曲线中同一加载方向的最大荷载逐个连接，得到骨架曲线。曲线顶点值的轨迹，能反映构件在加载不同时期的受力和变形状况，可以更好了解到结构内的极限强度、屈服极限、刚度退化、强度退化等。骨架曲线见图7。

3.4 钢梁应力分布

与试验研究相对比，可以看到试件内部的应力应变情况是有限元分析的一大亮点。细致的研究此类节点的受力特性，对此节点的应力分布有重要意义。图8给出了试件的中左侧钢梁的应力分布云图，从图8中可以看出梁的上下翼缘出现了弯曲的形态。以此得出相同轴压比，相同的材料，套筒壁厚较薄的试件的核心区域容易发生屈曲。

3.5 钢管柱应力分布

有限元软件模拟可以得出试验中无法测出的方钢管混凝土柱的应力分布，并对方钢管混凝土柱的应力分布进行分析。图9为方钢混凝土柱的应力云图，从图9中可以看出，方钢管在节点破坏时，梁端对套筒传递剪力，使钢管柱受压，压力较为集中的部位为套筒连接钢管的四周，所以周边的应力比其他位置要大，同时可以看出方钢管两侧出现了鼓曲。

4 结语

本文运用ABAQUS有限元分析软件，对方钢管混凝土柱—钢梁半刚性节点进行了研究。得到以下结论：1)改变套筒的厚度，可以发现节点的性能发生显著的变化，当改变套筒的厚度，通过分析可以看出节点的延性增加，极限承载力发生提高。从而进一步得出增大套筒的厚度可以改善此节点的抗震性能。2)节点试件的有限元模拟出的骨架曲线呈S形，可以证明在循环荷载作用下节点经历了弹性、塑性破坏和弹塑性三个受力阶段。3)ABAQUS有限元软件可以得到钢梁与钢管混凝土柱的应力分布云图，这些数据很难在试验中测到，通过ABAQUS分析，可以对此类节点有了更进一步的理解。

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Seismic behavior analysis on concrete-filled square tubular column to steel beam★

Xu Man1,2Han Zhenning1*Wang Jun1Liang Siyu1

(1.SchoolofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China；2.InstituteofEngineeringMechanics,ChinaEarthquakeAdministration,Harbin150090,China)

In this paper, a new type of semi-rigid joint of concrete-filled square steel tubular column and steel beam is proposed. The ABAQUS finite element simulation method is used to analyze the stress mechanism of the node under the thickness of the sleeve. The hysteresis curve and skeleton curve of such nodes are studied to study the seismic performance of such nodes.

concrete-filled square steel tubes, semi-rigid joint, seismic behavior, ABAQUS

1009-6825(2017)10-0033-03

2017-01-24

★：国家自然科学青年基金：新型方钢管混凝土柱-钢梁半刚性节点受力性能研究(51408106)；黑龙江省博士后资助项目：塔式锅炉抗连续性倒塌性能研究(LBH-Z13210)

徐 嫚(1982- )，女，讲师，硕士生导师，工学博士

韩振宁(1991- )，男，在读硕士

TU352

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