钢梁-钢筋混凝土柱节点的抗震性能研究__期刊目录网,论文发表,发表
所属栏目：建筑设计论文发表 发布时间：2011-02-25浏览量:105
副标题#e#摘要 采用ANSYS对3个“梁贯通式”钢梁-钢筋混凝土柱（RCS）节点在低周反复荷载作用下进行了有限元模拟计算，并在此基础上对其破坏形式、滞回曲线、骨架曲线、延性、耗能能力等抗震性能进行了较为深入研究与分析。结果表明，RCS节点荷载-位移滞回曲线形状介于梭形与反“S”形之间，更接近于反“S”形，且比较饱满，其耗能能力较强和抗震性能较好；轴压比能提高节点的承载能力，但对节点的延性和耗能能力有一定不利影响，即轴压比越大，节点的延性和耗能能力越差。
关键词 钢筋混凝土柱；钢梁；节点；有限元分析
1引言
在20世纪80年代初期，在钢-混凝土组合结构中出现了一种新型的结构形式，即由钢筋混凝土柱(reinforcedconcretecolumn)和钢梁(steelbeam)组成的框架结构，简称RCS[1]。这种组合框架结构既有钢结构框架体系的优点，又有钢筋混凝土框架体系的优点。鉴于RCS框架结构的这种良好性能，因此，有必要对钢梁-钢筋混凝土柱框架节点的抗震性能进行研究。为了研究节点处混凝土强度、钢材强度、轴压比等对节点抗震性能的影响，本文对3个RCS节点试件进行了有限元模拟计算，并在有限元计算结果基础上对钢梁-钢筋混凝土柱节点的承载能力、延性、耗能能力等进行了探讨。
2计算模型及加载制度
参照文献[2]中节点试件的构造措施和几何尺寸，设计了3个“梁贯通式”RCS节点试件模型，分别采用了“强梁弱节点”和“弱梁强节点”两种型式。本文3个节点试件的主要构造措施包括：钢梁贯通节点、节点两侧设置面承板、在钢梁翼缘上钻孔塞焊部分柱纵筋、节点配置箍筋、节点上下柱端在一定范围内设置附加加密箍筋等。3个试件的几何尺寸：柱高为2500mm，截面尺寸为350mm350mm，钢梁截面为HN280100108。3个节点试件的编号及主要参数见表1：
表1各节点试件的主要参数表
节点试件编号 混凝土强度等级 钢强度等级 轴压比
柱(上柱与下柱) 核心区 翼缘 腹板
RCS1 C30 C20 Q345 Q235 0.3
RCS2 C30 C30 Q345 Q345 0.3
RCS3 C30 C30 Q345 Q345 0.5
计算模型：根据平面框架在地震作用下的受力情况，选取中柱梁柱在层间的反弯点之间的一部分作为构件节点的计算单元[3]，如图1所示。
加载制度：根据计算简图，加载时先在柱顶施加轴向压力，然后在梁端施加低周反复位移荷载。
图1计算受力简图
3试件模型的建立
3.1材料本构模型的选用及单元类型的选取
材料本构模型的选取：对于钢筋混凝土中钢筋和钢梁可以看作是理想的弹塑性材料，其本构模型选用理想弹塑性本构模型，均服从Von-Mises屈服准则，采用双线性随动强化准则(BKIN)来描述其应力-应变关系曲线，其包含了包兴格效应；混凝土也采用Von-Mises屈服准则，Villiam-Warnker五参数破坏准则，用多线性等向强化准则(MISO)描述其应力-应变关系曲线，混凝土的本构模型采用我国《混凝土结构设计规范》（GB50010—2002）中的应力-应变曲线，如图2所示。
在材料单元类型选取时，钢材选用单元Solid95；混凝土采用#p#副标题#e#ANSYS中提供的专门的混凝土单元，即SOLID65；钢筋选用单元LINK8进行模拟。
3.2试件有限元模型的建立
在ANSYS建模过程中，采用了实体建模法，根据RCS节点试件外形和几何尺寸建立三维实体模型，忽略型钢与混凝土以及钢筋与混凝土之间的相对滑移，建模时不考虑粘结滑移单元。采用人工控制单元边长的方法控制单元尺寸，对实体模型进行网格划分。网格划分后试件的有限元模型，如图3所示。
图2混凝土应力-应变曲线
图3RCS节点的有限元模型
根据计算受力简图可知，把柱顶位置设为铰节点，柱脚位置设为固定端，因此在柱顶施加x、z方向的约束，在柱脚施加x、y、z三个方向的约束。加载时先在柱顶施加轴压力，然后在梁端施加低周反复位移荷载。
4有限元计算结果及其分析
4.1节点试件的破坏特征
根据3个RCS节点试件的有限元模拟计算结果，并通过对试件节点处的Mises应力、应变云图分析可知，试件RCS1发生了核心区剪切型破坏；试件RCS2出现了梁铰型破坏；试件RCS3梁端和核心区都出现了塑性铰，即发生了混合型破坏。
4.2滞回曲线
滞回曲线是指加载一周得到的荷载-位移曲线，也称为P-△曲线，它是结构抗震性能的综合体现[4]。3个RCS节点试件的梁端荷载-位移曲线如图4所示。由图4可以看出：①3个试件节点的荷载-位移曲线形状介于梭形与反“S”形之间，更接近于反“S”形，且比较饱满，表现出良好的抗震性能。该类型节点的滞回曲线比一般钢筋混凝土节点更为饱满，但比纯钢节点差一些，因此，RCS组合框架节点的耗能能力介于钢节点与钢筋混凝土节点之间。②RCS1、RCS2和RCS3的滞回曲线形态相差不大，但RCS1和RCS2的滞回曲线比RCS3稍微饱满，说明在轴压比较小的情况下，试件RCS1和RCS2的耗能能力要强一些；在轴压比较大的情况下，RCS3的耗能能力有一定的降低。③三个RCS节点的加载曲线斜率和卸载曲线斜率均随反复加载次数的增加而不断减小，但是卸载曲线斜率减小幅度较加载曲线斜率减小幅度偏小，说明节点的卸载刚度退化现象不如加载刚度退化现象明显。
RCS1
RCS2
RCS3
图4RCS节点试件的荷载-位移曲线
4.3骨架曲线
骨架曲线既能够反映试件的屈服荷载和位移、极限荷载和位移等特征点，也能够宏观地反映出在反复荷载作用下各个试件的延性、强度退化及刚度退化等情况。3个RCS节点试件的骨架曲线如图5所示。由图5可知：①骨架曲线均呈S形,说明节点试件在低周反复荷载作用下都经历了弹性、塑性和极限破坏三个阶段。②试件RCS1的屈服荷载和极限荷载均比试件RCS2、RCS3的小，由此可知，节点核心处混凝土和钢梁腹板强度高低对试件节点承载能力有一定影响，即强度越高，承载力越高。③试件RCS2的屈服荷载和极限荷载比试件RCS3的小一些，于是可知，轴压比对节点试件的承载能力也有一定影响，即轴压比越大，节点试件的承载力越大，但增加的程度不大。
RCS1
RCS2
RCS3
图5RCS节点试件的骨架曲线
4.4延性系数
延性是表征构件变形能力的一个重要参数，是构件在超过弹性阶段后其承载能力无显著下降情况下的变形能力。一般常用位移延性系数来评价构件或结构延性性能。RCS节点试件的位移延性系数如表2所示，由表2可知：①梁贯通式钢梁-钢筋混凝土柱节点的延性均较好。②轴压比对试件的延性有不利影响，即轴压比越大，延性系数越小，节点的延性越差。
表2各试件节点的延性系数和耗能系数
试件 RCS1 RCS2 RCS3
延性系数 2.24 2.33 2.12
耗能系数E &#p#副标题#e#nbsp; 1.86 1.69 1.65
4.5耗能能力
耗能能力是评定结构抗震性能的主要指标。一般用荷载-位移滞回曲线所包围的图形面积大小来衡量节点试件的耗能能力，滞回曲线包络线越饱满，试件的耗能能力越高。此外，也常用节点试件的耗能系数E来衡量试件的能量耗散能力[5]。RCS节点试件的耗能系数如表2所示，由表2可知：①梁贯通式钢梁-钢筋混凝土柱节点的耗能能力均较好。②节点核心区混凝土强度等级的高低对试件的耗能性能有一定的影响，即混凝土强度等级越高，试件的变形能力越差，相应试件的耗能能力降低；③轴压比对试件的耗能性能有一定影响，即轴压比越大，耗能系数越小，耗能能力越低，节点试件的抗震性能越差。
5结论
(1) 试件节点的荷载-位移曲线形状介于梭形与反“S”形之间，更接近于反“S”形，且比较饱满，表现出良好的抗震性能。RCS节点的滞回曲线比一般钢筋混凝土节点更为饱满，但比纯钢节点差一些，其耗能能力介于钢节点与钢筋混凝土节点之间。
(2) 试件节点的骨架曲线均呈S形，节点试件在低周反复荷载作用下都经历了弹性、塑性和极限破坏三个阶段。
(3) 梁贯通式钢梁-钢筋混凝土柱节点的延性均较好；并且轴压比对试件的延性有一定影响，即轴压比越大，延性系数越小，节点的延性越差。
(4) 梁贯通式钢梁-钢筋混凝土柱节点的耗能能力均较好；节点核心区混凝土强度等级的高低对试件的耗能性能有一定的影响，即混凝土强度等级越高，试件的变形能力越差，相应试件的耗能能力降低；轴压比对试件的耗能性能有一定影响，即轴压比越大，耗能系数越小，耗能能力越低，节点试件的抗震性能越差。
参考文献：
[1]许伟，仲袛卿．钢筋混凝土柱-钢梁结构节点的研究状况[J]．四川建筑，2007，第27卷：106–108．
[2]杨建江，郝志军．钢梁-钢筋混凝土柱节点在低周反复荷载作用下受力性能的试验研究[J]．建筑结构，2001，31（7）：35–42．
[3]周明华．土木工程结构试验与检测［M］．南京：东南大学出版社，2002
[4]陆铁坚，贺子瑛等．钢-混凝土组合梁与混凝土柱节点的抗震性能试验研[J]．建筑结构，2008，29（1）：70–74．
[5]王哲夫．钢梁-混凝土柱柱贯穿型节点受力性能研究[D]．武汉：武汉理工大学，2007．
