李光辉 何毅葛洲坝集团交通投资有限公司

摘 要：作为一种新型建筑结构体系，型钢混凝土结构在强度、承载力等方面明显优于普通RC结构，具有良好的受力性能。在地震当中，很多建筑物的倒塌是由于节点连接处破坏严重，说明节点正常工作是保证整个结构安全的重要前提。影响节点受力性能的因素有很多，在实验室条件下完成多种参数的影响分析费时费力。文章通过对比试验数据和有限元软件模拟结果可知，二者吻合良好，在此技术上进行节点参数分析，综合考虑了型钢强度、混凝土强度和楼板宽度等4组参数对于节点受力性能的影响。结果表明，混凝土板厚度和型钢强度对于节点受力性能影响较大。

关键词：SRC柱—钢梁混合节点;数值模拟;参数分析;

作者简介：李光辉（1993—）,男,研究生,工程师,从事高速公路技术管理工作。;

0 引言

目前国内外对型钢混凝土柱—钢梁（SRC柱—钢梁）节点形式的研究较少。该文选用H形配钢形式的中节点，通过有限元模拟试验，对节点尺寸、边界条件、材料本构进行一一叙述，将试验结果与数值分析对比，验证模型的适用性，在此基础上改变参数分析不同因素对节点承载力的影响，为型钢混凝土组合结构应用到工程实践提供依据。

1 建立有限元模型1.1 混凝土本构模型

混凝土本构模型采取《混凝土结构设计规范》（GB50010—2010）建议的混凝土单轴受压和受拉应力—应变关系曲线，根据上述方法和材性试验测得结果[1]可以得到如表1所示模型参数值。

表1 混凝土损伤塑性模型参数 下载原图

利用Abaqus软件分析时，混凝土塑性损伤模型有5个材料参数需要设定，其中，σb0/σc0和KC的取值用来决定屈服面在平面应力及偏平面上的形状，膨胀角和偏移值用来定义子午面上双曲线流动势能面的形状，黏性系数μ的取值大小可能由应变软化导致的分析是否可以收敛决定，默认值为0，黏性系数越大，表明材料性质较硬，黏性系数小，计算结果较接近真实情况，但容易导致计算不收敛[2]，参数建议取值如表2所示。

1.2 钢材本构

采用Abaqus软件中弹塑性模型定义型钢柱、钢梁、加劲肋、箍筋和纵筋的材料本构。结合试验值将钢材本构设为双折线模型[3]，采用Mises屈服准则，强化准则采用的是随动强化准则，模型假定流动势面函数与屈服面函数相同，且认为拉压弹性模量相同，钢材屈服后弹性模量E′=0.01Es，应力—应变关系仍为线性，泊松比均取0.3[4]。钢材数据如表3所示。

表2 混凝土塑性损伤模型参数取值 下载原图

表3 钢材试验数据 下载原图

1.3 单元选取及网格划分

采用分离式型钢混凝土建模方式建立模型，即通过对不同部件选用不同的单元。混凝土基于减缩积分的原理，采用八节点六面体线性减缩积分三维实体单元C3D8R，线性减缩积分单元比完全积分单元的计算结果更加精确；对于楼板内部配筋和混凝土柱配筋，将其假定为只能受拉荷载作用的桁架单元，采用二节点三维Truss单元T3D2，输出变量为轴向的应力和应变，有时还用来代表其他单元里的加强构件，所以柱内和板中的钢筋就利用了桁架单元模拟；型钢建模时，考虑方便组装构件等问题，采用四节点减缩积分格式的三维壳单元S4R，优点在于结构的内部不占空间体积并且可以忽略厚度方向上的应力，后续通过编辑界面赋予壳厚度，即完成建模[5]。网格的划分直接影响计算结果的收敛性和精确性。网格划分过于稀疏，计算单元减少，耗时短，但往往引起计算结果误差较大。网格划分过密，计算单元多，耗时长，容易发生不收敛的问题。该文经过多次尝试，对比计算结果的基础上，选用网格尺寸为50 mm。

1.4 加载方式

梁端加载面取250 mm，通过在平面外建立参考点，并将参考点与加载面耦合，两侧参考点施加反对称位移。取单调加载时单位梁端竖向位移δ作为位移加载控制初始级数，位移级数分为1δ、2δ、3δ、4δ、5δ、6δ，每一位移等级循环三次。构件详细配筋如表4所示。

表4 构件配筋详细参数 下载原图

2 有限元模型验证

在有限元分析过程中，混凝土板损伤最早出现在板柱交接区域并向外扩展，最后板中间区域混凝土均达到最大损伤因子，可以视为破坏。钢梁下翼缘处出现大面积的塑性区域，这些均与试验现象相符。

由SRC柱—钢梁节点试验和有限元软件骨架曲线、模拟滞回曲线对比结果可见，有限元计算结果和试验趋势大体一致。骨架曲线中，在正负弯矩作用下，试验与模拟的弹性阶段差别不大。但正弯矩作用下，有限元模拟骨架曲线一直上升，与试验结果有所出入，负弯矩作用下峰值荷载也有些区别。正负弯矩作用下的极限位移和极限荷载差别不大。造成以上偏差的主要原因在于，试验中所用到的混凝土构件在浇筑混凝土养护结束后，因振捣不够密实、养护不够到位，造成混凝土内部产生细微的裂缝、孔洞，对混凝土的力学性能产生了负面影响。在低周往复荷载作用下，混凝土板带裂缝工作并不断地开裂、闭合，这一力学行为较复杂，且受很多因素影响制约。仅通过有限元模拟建立混凝土塑性损伤模型，不能十分准确地还原出混凝土在正负弯矩作用下的损伤和受力状态。并且在实际试验中，是通过抗剪栓钉传力的方式将混凝土板与钢梁有效连接。而有限元模拟则是通过将接触面绑定约束的形式实现，与实际情况不完全相同，造成结果出现偏差。加载开始前，构件柱顶和柱底与试验装置并非刚性连接，会不可避免地出现滑移现象，与之相比，有限元建模的加载方式趋于理想化，没有考虑实际滑移对最终结果的影响。有限元模拟是通过合并命令组装钢梁和型钢柱，在型钢骨架焊接中产生残余应力，也会对结果产生影响。

综上所述，试验与数值分析结果较为相似，使用Abaqus软件模拟SRC柱—钢梁节点受力性能可信度较高。

3 节点参数分析

基于前文已经验证的Abaqus在研究SRC柱—钢梁节点基础上的可靠性，现通过该软件分别选取五组参数对节点进行参数分析，即混凝土强度、钢梁高度、楼板厚度、型钢强度、楼板宽度，研究探讨在不同参数的影响下，SRC柱—钢梁节点受低周往复荷载作用时受力性能的不同表现。分析调整不同参数后，节点极限状态型钢滞回曲线、刚度退化的变化。参数取值如表5所示。

表5 主要分析参数 下载原图

3.1 混凝土强度

通过模拟结果可以得出：采用不同强度的混凝土对节点承载力的影响并不大，这是因为混凝土强度的增加与抗拉能力的增加并不成线性关系，且抗拉能力均较低，混凝土强度越高，在压溃之前使得钢材强度发挥得比较充分，作用较为明显，但混凝土破坏后，滞回曲线影响不大。位移20 mm之前，提高中节点混凝土强度对刚度退化曲线有一定影响，之后三条刚度退化曲线趋于一致，主要因为混凝土抗拉强度低，随着循环次数的增加，破坏严重，逐渐退出工作。

3.2 型钢强度

通过模拟结果可以得出：节点的初始刚度受钢材强度的影响较小，造成弹性阶段范围内，滞回曲线的斜率几乎不变。随着后续循环加载，对于两种节点形式，节点承载力与型钢强度成正相关。因此，提高型钢强度可显著提高节点承载力。使用Q390钢材的节点刚度始终最大。位移较小阶段，Q235钢材刚度退化速率稍快，之后三条曲线下降速率相似，位移较大时，Q390钢材刚度退化速率加快，最终刚度退化曲线相差较小。

3.3 钢梁高度

通过模拟结果可以得出：节点承载力及滞回性能随着钢梁高度的增加产生显著变化。随着钢梁高度的增加，节点的初始刚度增大，梁端加载时，转动力臂增大，在一定范围内，提高了节点的承载力。两种节点梁高增大，刚度也有所增大。位移较小时，梁高234 mm的节点刚度退化较快，之后四条曲线下降速率比较接近，最终刚度退化曲线相差不大。

3.4 混凝土板厚度

通过模拟结果可以得出：弹性阶段内，混凝土板厚度对节点刚度影响不大，节点的屈服强度随板厚度增加而提高。在正弯矩作用下，两种节点的承载力都得到了显著提高，这是因为混凝土的抗压强度远大于抗拉强度，在正弯矩作用下，混凝土板主要受压，混凝土板抗压性能随着楼板厚度的增加而增强，从而提高了节点的承载力。在负弯矩作用下，随着楼板厚度增加，板中受力钢筋的高度发生变化，影响了组合梁截面的中和轴高度。节点板厚从100 mm增大到120 mm承载力提高的幅度较大。节点刚度退化趋势大致为线性退化。位移较小阶段，120 mm板厚的节点刚度最大，刚度退化也最快。随着梁端位移加载的增大，三条曲线的刚度退化速率逐渐接近，但节点楼板厚120 mm的刚度仍然最大。

3.5 楼板宽度

通过模拟结果可以得出：从应力分布图来看，400 mm板宽节点型钢应力和其余三种情况差别明显，板宽从800 mm变化到1 200 mm时，型钢应力分布几乎没有变化。混凝土板宽从400 mm增加到800 mm时，滞回曲线面积变大，节点承载力明显提高。当从800 mm增加到1 200 mm时，几乎没有变化。可能原因在于楼板有效宽度在400～800 mm之间，超过楼板有效宽度以后，节点的承载力受板宽影响较小。楼板宽度400 mm的节点刚度始终小于其他三种板宽，且三种板宽的刚度退化曲线几乎没有差别。

4 结论

(1）因混凝土抗拉能力较弱，混凝土强度提高对节点承载力几乎无影响。

(2)Q345钢与Q235钢相比，节点的承载力提高明显，达到极限应力状态时残余刚度较大。Q390钢相比于Q345钢承载力提高的幅度不大。

(3）钢梁高度的增加使得节点初始刚度和承载力都有提高，但核心区腹板最大应力相应增加，对节点稳定性产生不利影响。

(4）混凝土板厚度的增加可以有效提高节点承载力，但也造成了钢梁下翼缘塑性区域面积增大，对节点稳定性产生不利影响。

(5）楼板宽度对节点承载力的影响有一个有效宽度的范围，超过这个值，楼板宽度增加对于节点承载力提高有限。

(6）该文建模过程中，没有考虑型钢与混凝土的黏结滑移影响，对抗剪连接件进行了简化，将楼板与钢梁绑定，造成了模拟结果理想化，这些都需要进一步优化，以求得更加贴合工程实际的有限元模型。

(7）该文选用的参数有限，没有考虑楼板配筋率、钢筋强度等因素对于节点抗震性能的影响。每组参数的取值较少，在今后的研究中，宜扩大影响因素的研究和参数值的选取。

参考文献

[1] 杨磊.SRC柱-钢梁混合框架节点受力性能研究[D].郑州：郑州大学,2017.

[2] Wang J Y.Nonlinear behaviour of semi-rigid composite joints under lateral loading:Experimental and theoretical study[D].Hong Kong:Hong Kong Polytechnic(People's Republic of China),1999.

[3] 苗盛.型钢混凝土柱基于抗震性能的有限元分析[C]//全国现代结构工程学术研讨会,北京：中国建筑工业出版社,2014:1270-1273.

[4] 宋毛毛.基于ABAQUS的钢-混凝土组合梁钢框架抗震性能研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2014.

[5] 方林,张波,金国芳,等.型钢混凝土十字形异形柱抗震性能试验及有限元分析[J].中南大学学报（自然科学版）,2015(3):1027-1033.

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