钢箍构造RCS混合节点抗震性能有限元分析
(中国矿业大学力学与土木工程学院, 徐州 221116) )
摘要: 钢筋混凝土柱-钢梁 (RCS) 组合结构因性能优异被超高层建筑广泛应用, 本文对带钢箍构造的“梁贯通”式和“柱贯通”式RCS混合节点进行数值仿真分析, 重点考察了翼缘宽厚比、钢材屈服强度、轴压比、混凝土强度及端板厚度5个不同参数对RCS混合节点抗震性能及破坏模式的影响。研究结果表明: 通过合理的参数设置, ABAQUS有限元模型能够模拟出RCS混合在静力荷载作用下的性能, 与试验结果吻合较好; 在“强柱弱梁”的机制下, 组合节点首先发生梁铰破坏, 节点的轴压比变化和混凝土强度参数变化对节点极限承载力和变形性能影响不大; 增大翼缘宽厚比, 节点承载力最大减少11%, 提高钢材的屈服强度, 节点承载力最大增加36. 4%; 提高柱贯通试件的端板厚度, 节点的承载能力以及变形性能得到了一定改善; 各参数的变化对节点最终的钢梁塑性铰破坏模式无明显影响。本文的研究为今后该类节点的设计和研究提供了理论支撑。
关键词: 数值仿真, 钢箍构造, RCS混合节点, 强柱弱梁
DOI: 10.48014/bcce.20240207001
引用格式: 倪天征, 张营营, 赵玉帅, 等. 钢箍构造RCS混合节点抗震性能有限元分析[J]. 中国土木工程通报, 2024, 2(2): 13-21.
文章类型: 研究性论文
收稿日期: 2024-02-07
接收日期: 2024-03-07
出版日期: 2024-06-28
0 引言
钢筋混凝土柱-钢梁(RCS)这种结构体系由于综合了混凝土柱和钢梁这两种结构，能够充分地将这两种结构的材料优势发挥出来，是目前比较环保且经济的结构形式[1]。同时，RCS混合结构体系能够较好适应现代结构中“轻型大跨、预制装配、快速施工”的需求，具有良好的建筑功能适用性[2]。
近年来，国内外相关学者对RCS混合节点的抗震性能进行了较为系统的研究。Sheikh等[3]、Parra-Montesions等[4]、Alizadeh等[5]、Nguyen等[6]分别采用试验和数值模拟研究对梁贯通式RCS混合节点开展了一定的研究，分析了相关节点的构造措施和新材料性能在节点往复荷载下的受力机理的抗震性能。Tao等[7]通过建立RCS节点有限元模型，研究了混凝土强度、轴压比和屈服强度等参数对节点抗震性能和抗剪机理的影响。随着装配式建筑业的发展，国内很多学者开展了众多对于柱贯通式RCS节点的研究。李贤等[8]通过试验和数值模拟研究相结合的方式对柱贯通式RCS节点展开了研究，综合考虑了钢梁翼缘削弱、螺栓直径以及端板厚度等参数对节点性能的影响。潘志宏等[9]提出了3种不同形式的柱贯通式RCS混合节点，研究结果表明，将塑性铰从梁端外移到削弱处能有效避免对核心区的不利影响。白巨巨[10]、李升才[11]等按“强柱弱梁、强节点弱构件”的设计原则，提出了将节点区域复合焊接式箍筋改为钢板箍约束，研究表明其不仅提升节点区域的抗剪性能，而且大幅提高节点的抗震性能。唐红元等[12]对柱贯通型RCS节点进行试验和有限元研究，结果表明用DoD规范评估柱贯通全螺栓连接RCS结构抗连续倒塌性能时偏于保守。张锡治等[13]通过对端板与混凝土柱之间的灌浆层开展开展研究，指出灌浆层厚度不宜大于20mm，否则会对螺栓的受力产生不良影响。
综上可知，目前梁贯通式和柱贯通式RCS混合节点的构造形式在一定程度能够有效提高RCS混合节点的抗震性能，但是对于在“强柱弱梁、强节点弱构件”设计原则下的RCS“梁贯通”和“柱贯通”型节点失效机制尚不明确。鉴于此，本文按“强柱弱梁、强节点弱构件”的设计原则，分别设计了带钢箍构造的RCS梁贯通和柱贯通式节点，并采用ABAQUS有限元软件对这两种节点进行建模分析，并且充分考察了RCS混合节点在翼缘宽厚比、钢材屈服强度、轴压比、混凝土强度、螺栓直径及端板厚度等关键参数影响下的抗震性能，本文的研究为今后该类节点的设计和研究提供了理论支撑。
1 有限元模型建立
1.1 节点设计
选取RCS组合框架中间的梁柱节点作为研究对象，试验试件是在“强柱弱梁、强节点弱构件”的设计理念及规范详细要求下设计的，其中柱反弯点之间的距离为1800mm，梁反弯点之间的距离为2000mm。所有试件梁柱几何尺寸均相同，梁截面尺寸为250mm×125mm×6mm×9mm，混凝土柱尺寸为350mm×350mm。采用C40的混凝土，采用Q235B钢材。混凝土柱中纵筋采用直径20mm钢筋，采用8mm直径的箍筋，其间距为100mm。节点区域承压板厚度为10mm，其中柱贯通型RCS节点连接端板厚为20mm，螺栓采用10.9s/M18螺栓。试件节点构造如图1所示。
图1 节点示意图
Fig.1 Schematic diagram of the node
1.2 材料模型
在通过ABAQUS有限元分析软件对设计模型进行模拟时，考虑了混凝土在实际加载过程中的塑性损伤，因此对混凝土采用CDP塑性损伤模型，控制参数取值见表1。
表1 混凝土塑性损伤控制参数
Table 1 Plastic damage control parameters for concrete
|
膨胀角 |
偏心率 |
fb0/fc0 |
形状系数 |
黏滞系数 |
|
30° |
0.1 |
1.16 |
0.6667 |
0.0005 |
有限元模型中的钢材包括钢箍、钢梁、端板、螺栓、纵筋和箍筋等。在钢筋本构选择中，采用理想弹塑性模型。高强螺栓和其他钢材采用双折线强化模型，强化段弹性模量取0.01Es，Es为钢材的弹性模量，Es=206000MPa，泊松比=0.3。通过实验数据，确定钢材的屈服强度和极限强度的取值。
1.3 单元类型及网格划分
钢箍构造RCS混合节点包括混凝土柱、钢箍板、钢梁、端板和高强螺栓等部件，在ABAQUS软件中，采用C3D8R单元对混凝土柱进行模拟，同时采用桁架单元T3D2来模拟其中的纵筋和箍筋。为了保证模型的精度和效率，在划分网格时采取了合理的措施。经过多次试算，混凝土网格设置为40mm，钢梁整体网格设置为20mm，同时对节点核心区两侧约200mm以内划分10mm网格进行局部加密，对于端板、高强螺栓以及钢箍板的网格设为20mm。
1.4 接触
各部件之间的接触关系比较复杂，主要涉及混凝土柱、H型钢梁、钢箍板、端板、承压板、L型钢板、环箍板、高强螺栓等部件。在梁贯通模型中，为减少接触关系，将各钢材部件merge成一个整体，便于后续模型计算的收敛性。
首先建立接触属性，柱贯通和梁贯通RCS混合节点之间的接触关系主要包括钢材与混凝土、钢材与钢材之间。其中，对钢材与钢材和钢材与混凝土之间的接触属性根据文献[14]的研究成果，设置钢材与钢材之间的摩擦系数设置为0.3，钢材与混凝土之间的摩擦系数设置为0.8。为使钢筋与混凝土之间的转动自由度一致，不考虑两者之间的粘结滑移，钢筋通过嵌入(Embedded)的方式与混凝土接触。
1.5 边界条件及加载方式
模型采用柱端加载的方式，第一步施加螺栓预紧力(梁贯通模型无)，第二部施加轴压力，第三步施加位移荷载。其边界约束方式见图2。有限元模型采用位移加载的方式，按照位移角0.1%，0.22%，0.33%，0.5%，0.75%，1%，1.25%，1.5%，1.75%，2%，2.5%……进行加载，每级循环1次。
图2 边界条件示意图
Fig.2 Schematic diagram of boundary conditions
2 有限元模型验证
图3、4分别为梁贯通试件和柱贯通试件有限元模拟所得的滞回曲线和骨架曲线与试验曲线对比图，由图3可知，可以看出各试件的滞回曲线与试验曲线其在变化趋势以及曲线饱满程度方面吻合较好，能够反映加载过程中柱贯通和梁贯通试件承载力及刚度的变化规律。由图4的骨架曲线可知，各模拟试件在加载前期较试验刚度较大，在峰值荷载后，随着加载位移的增加，试件的承载力较试验下降不明显。整个有限元模拟加载过程呈现为弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段。有限元模拟曲线的刚度和承载力较试验结果偏大，极限荷载与试验最大误差为4.02%。
如图5所示，给出了试验和有限元模拟结果中试件整体变形及节点核心区两侧钢梁屈曲变形对比情况。由图可知，有限元模拟结果的破坏部位均为节点区域两侧钢梁屈曲变形，这与试验的最终破坏模式是一致的。从梁贯通可以看出，由于节点域钢梁贯通，钢梁和混凝土柱的协同能力得到加强，使得混凝土的损伤范围较小且程度较轻，混凝土柱在节点核心区的受压损伤高度约为300mm。从柱贯通试件试件可以看出，在循环往复荷载作用下，混凝土在节点核心区的损伤主要是由于钢套箍与混凝土之间不断挤压造成的，且程度较重。根据混凝土受压损伤云图，节点核心区钢套箍上下柱端混凝土受压损伤程度较梁贯通试件严重，其影响范围广泛，而由此所引发的混凝土受压损伤高度约为450mm，据此可见其受力性能较为偏弱。这与试验中梁贯通和柱贯通试件损伤分布规律基本一致。因此，本文所建立的模型能够较好地反映柱贯通和梁贯通式节点的整体破坏模式。
综上所述，通过试验和有限元模拟结果在滞回曲线、骨架曲线以及整体破坏模式的对比，反映了有限元模型在计算过程中的准确性。
3 参数分析
以本文中的梁贯通试件和柱贯通试件为基准，有限元模型主要分析参数包括:翼缘宽厚比(6、6.6、8和9.2)、钢材强度(Q235、Q345和Q420)、混凝土强度(C30、C40、C50和C60)、轴压比(0.15、0.2、0.3和0.4)、端板厚度(10、15、20和25mm)，通过不同参数变化分析其对节点核心区抗震性能的影响。
图3 滞回曲线对比图
Fig.3 Comparison of hysteresis curves
图4 骨架曲线对比图
Fig.4 Comparison of skeleton curves
3.1 翼缘宽厚比
图6给出了不同翼缘宽厚比情况下梁贯通和柱贯通节点的骨架曲线对比图。由图可知，随着加载位移的增加，柱贯通和梁贯通式节点的峰值承载力随着翼缘宽厚比的增大而减小，当翼缘宽厚比由6分别增加至8.2时，梁贯通试件节点承载力减少了6.4%，柱贯通试件节点承载力减少了7.07%。此外，从图中可以看出，翼缘宽厚比的增加对峰值荷载后RCS混合节点的变形性能影响不大，主要表现在较大翼缘宽厚比时，峰值后曲线无下降段。各节点均发生钢梁塑性铰破坏，表明增大翼缘宽厚比对节点的破坏模式无影响。
图5 试验破坏模式对比图
Fig.5 Comparison of test failure modes
3.2 钢材强度
图7给出了不同钢材强度情况下梁贯通和柱贯通节点的骨架曲线对比图。选取了钢材屈服强度分别为Q235、Q345和Q420，当钢材屈服强度由Q235分别增加至Q345和Q420时，梁贯通节点的承载力分别提高了31.4%和12.3%，柱贯通节点的承载力分别提高了36.4%和14.5%，相较梁贯通节点，柱贯通节点对钢材强度的敏感性较强。随着钢材屈服强度的提高，柱贯通节点峰值后曲线会有陡降，变形性能降低。综上随着钢构件屈服强度的提高，梁翼缘应力向腹板扩散，有利于梁端形成塑性铰，保护节点的安全。
图6 不同翼缘宽厚比对骨架曲线影响
Fig.6 Effect of different flange width-to-thickness ratios on skeleton curves
图7 不同钢材强度对骨架曲线影响
Fig.7 Effect of different steel strengths on the skeleton curve
3.3 混凝土强度
图8给出了不同钢材强度情况下梁贯通和柱贯通节点的骨架曲线对比图。选取的混凝土强度分别为C30、C40、C50和C60。随着混凝土强度的提高，模型的破坏模式仍为梁端塑性铰破坏，因此混凝土强度的提高对于“强柱弱梁”设计机制下的最终破坏模式影响较小。经对比分析，混凝土强度为C60时节点的屈服强度相较工C50、C40时略大。在进行低周往复荷载下，仅提高柱的混凝强度在一定程度上能够略微提升节点的承载能力，说明该节点预制柱混凝土强度在为C40的情况下，节点的承载力、刚度和延性也可以较好地满足抗震设计规范的要求。
3.4 轴压比
图9给出了不同轴压比情况下节点的骨架曲线对比图。选取轴压比分别为0.15、0.2、0.3和0.4。由图可知，随着轴压比的提高，节点的承载力无明显变化，各试件骨架曲线基本一致，各试件的最终破坏模式仍为节点域两侧钢梁的塑性铰破坏。但是随着轴压比的增大，节点核心区混凝土的约束效果得到了有效增强，节点的损伤会随着轴压比的增加而变小。
图8 不同混凝土强度对骨架曲线影响
Fig.8 Effect of different concrete strengths on the skeleton curve
图9 不同轴压比对骨架曲线影响
Fig.9 Effect of different axial compression ratios on skeleton curves
3.5 端板厚度
图10给出了柱贯通试件在不同端板厚度下节点的骨架曲线对比图。选取了端板厚度分别为10、15、20和25mm。当端板厚度由10mm增加到25mm时，柱贯通节点的承载力增加了12.17%，这
图10 不同端板厚度对骨架曲线影响
Fig.10 Effect of different end plate thicknesses on the skeleton curve
表明随着钢梁连接端板厚度的增加，在节点区域两侧钢梁的高应力区域逐渐缩小，而钢箍板和节点核心区上下两侧混凝土柱的高应力范围逐渐扩大。增加端板厚度能够有效地将节点钢梁两侧的有效荷载传递给高强螺栓，然后传递到混凝土柱，使节点核心区各个部件协同受力，充分发挥核心区抗剪能力。因此，通过适当的增加端板厚度，才能够使梁端荷载更有效的传递至节点核心区，提高节点的承载力及抗震性能。
4 结论
(1)在“强柱弱梁”的机制下，梁贯通和柱贯通试件破坏部位均为节点区域两侧钢梁屈曲变形;梁贯通试件混凝土柱的损伤范围较小且程度较轻，混凝土受压损伤高度约为300mm，主要集中在节点核心区。柱贯通试件混凝土柱损伤程度较梁贯通试件严重，混凝土受压损伤高度约为450mm。
(2)随着钢梁强度的增加，节点承载力最大增加36.4%，而增大钢梁翼缘宽厚比，节点承载力最大减少11%，表明在了在“强柱弱梁、强节点弱构件”的设计机制中，节点的抗震性能与钢梁的强度呈正相关关系。在提高混凝土柱强度以及提高柱的轴压比时，对于节点的抗震性能影响不大，表明对于梁端塑性铰破坏的节点，混凝土强度以及轴压比对此类节点破坏模式影响很小。
(3)对于柱贯通试件增加端板厚度能够有效地将节点钢梁两侧的有效荷载传递给高强螺栓，然后传递到混凝土柱，使节点核心区各个部件协同受力，充分发挥核心区抗剪能力，提高节点的承载力及抗震性能。
利益冲突: 作者声明无利益冲突。
[①] *通讯作者 Corresponding author:张营营，zhangyingying85@163.com
收稿日期:2024-02-07; 录用日期:2024-03-07; 发表日期:2024-06-28
基金项目:国家重点研发计划项目(No.2017YFC1500702)资助
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Finite Element Analysis of Seismic Performance of RCS Hybrid Joints of Steel Hoop Structure
(Faculty of Mechanics and Civil Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)
Abstract: Reinforced concrete column-steel beam (RCS) composite structures are widely used in super highrise buildings due to their excellent performance. In this paper, the numerical simulation analysis of the RCS hybrid joints of “beam through” and “column through” RCS constructed with steel hoop structure are carried out, and the influence of five different parameters, i. e. , flange width-thickness ratio, steel yield strength, axial compression ratio, concrete strength and end plate thickness, on the seismic performance and failure mode of RCS hybrid joints is investigated. The results show that the ABAQUS finite element model can simulate the performance of RCS mixing under static load through reasonable parameter settings, which is in good agreement with the experimental results. Under the mechanism of “strong column and weak beam”, the combined node firstly undergoes beam-hinge damage, and the change of the axial compression ratio and the concrete strength parameter of the joint have little effect on the ultimate bearing capacity and deformation performance of the joint. Increasing the flange width-thickness ratio reduces the bearing capacity of the joint by up to 11%, and increases the yield strength of the steel, and increases the bearing capacity of the joint by 36. 4%. The thickness of the end plate of the column through specimen is increased, and the bearing capacity and deformation performance of the joint are improved to a certain extent. The changes of each parameter have no significant effect on the final plastic hinge failure mode of the joint. The research in this paper provides theoretical support for the design and research of this type of node in the future.
Keywords: Numerical simulation, steel hoop construction, RCS mixnode, strong columns and weak beams
DOI: 10.48014/bcce.20240207001
Citation: NI Tianzheng, ZHANG Yingying, ZHAO Yushuai, et al. Finite element analysis of seismic performance of RCS hybrid joints of steel hoop structure[J]. Bulletin of Chinese Civil Engineering, 2024, 2(2): 13-21.