不同参数对带加强环板的复式钢管混凝土柱-H型钢梁节点的抗震性能分析

金超,安承达,董诗勇,刘雄巍,曾冬冬,王捷

摘要：通过ABAQUS软件对复式钢管混凝土柱-H型钢梁的节点进行模拟分析,并通过改变环板厚与梁翼缘厚的比例,以及对其他不同参数的修改,在不同的控制参数下对模型进行有限元分析,再对模型结构进行模态分析,并通过比较模板的滞回曲线与骨架曲线,进行对各种参数的模型间黏滞与阻尼关系的比较，以此来研究不同加强环参数对节点抗震性能的影响。研究结果表明；加强环板的角度，钢管混凝土柱的宽度和加强环板外宽度比，对节点的抗震性能没有明显的影响。

关键词：加强环板；抗震性能；有限元分析

引言：在建筑行业中，钢材是必不可少的建筑材料，而且钢材属于绿色建筑材料，不会对环境造成污染，钢结构具有较强的抗震性能，在建筑工程中，具有能耗低的优点[1]。在钢结构建筑中，利用节点将各个梁柱组成一个整体，钢结构的抗震性能主要是由节点性能来决定的，因此，在钢结构设计中，节点设计是非常重要的一环[2]。

1节点有限元模型

1.1有限元模型

本文所设计的节点模型和梁柱的尺寸如图1所示，混凝土柱的高度为1870mm，梁的下表面与柱底之间的距离为835mm，外伸出的梁长度为1540mm，梁的截面尺寸为200×100×5.5×8mm，钢管混凝土柱的截面尺寸为180×180×10mm。

图1 节点尺寸图

1.2材料本构关系

本文采用Q235B碳素钢进行试验分析，参考钢材的拉伸试验规制，对试验钢进行拉伸实验[3]，对各构件进行性能测试。

本文在对钢材塑形阶段的应力和应变进行计算时，采用的计算公式如下：根据计算结果可以得出各钢材在节点处的应变-应力曲线，如图2所示。

式中

，真实应变；

，真实应力；

，名义应变；

，名义应力。

图2 本构关系曲线

1.3边界条件和加载方式

在混凝土柱和钢梁处建立参考坐标系，为了更加符合真实情况，需要对模型施加约束。为了模拟出不动铰支座在实际应用中的效果，将全约束施加在模型的底部。为了达到滑动铰支座的效果，在柱顶处添加x轴方向的位移约束。为了保证钢梁只能在水平方向上进行移动，需要在钢梁的垂直方向和轴向方向添加位移约束。在梁的中心点位置处添加径向方向的位移约束，以此来保证钢梁在力的作用下不会出现横向位移[4]。

对模型施加的载荷主要有两种，一种是竖向集中载荷，另一种是水平反复载荷。

1.4节点模型参数

在对模型进行分析的过程中，为了研究在不同参数下，节点所具有的抗震性能，本文在试验时，对四种类型的加强环参数进行了设置，分别为不同的td/tf值，环板的角度，不同的D/Wd值，不同的D/tc值。图3对不同的参数进行了说明，td表示环板的厚度，tf表示梁翼缘厚度，D表示混凝土柱的宽度，tc表示混凝土柱壁厚，Wd表示加强环板外宽度。

图3 节点参数

2有限元分析方法的试验验证

为了得到更加真实的对比数据，在建立节点模型时，模型的尺寸参数需要和实际试验的保持一致.从图4可以得出，利用软件模拟出的骨架曲线，和经过实际试验德驰的骨架曲线相比，曲线的形状大致相同，都是S形。因为在进行实际试验时，结构的制作采用的是弹塑性材料，因此得出的曲线，在屈服阶段之后下降速度降低，未能与有限元模拟的曲线保持完全一致，但是依据具有较高程度的重合性。

图4 骨架曲线对比

3参数分析

利用有限元模拟分析软件，对具有不同参数的模型进行建立，并按照之前的约束方式，对模型进行约束。从而得到在不同参数下，模型所具有的各项参数性能，对软件的模拟结果进行分析。

3.1影响破坏模态的参数分析

模型的破坏模态主要分为三种，分别为，梁端的塑形铰受到破坏，节点的核心区受到破坏，混凝土柱受到局部破坏。根据试验结果我们可以得出，环板的角度和D/Wd值不会对节点的破坏模态产生较大的影响，其他两项参数对节点的破坏模型影响较大。对破坏模型的影响程度与参数范围有关。

3.2影响滞回曲线的参数分析

在不同参数下得出的四组节点滞回曲线如图5所示。研究结果可以看出，环板的角度和D/Wd值不会对节点的滞回曲线造成较大的影响，得出的滞回曲线形状依然为纺锤状，节点具有较强的抗震性能，从图5中的（d）和（e）可以看出，下降趋势都出现在加载后期，此时所收到的破坏都是梁端塑形铰。td/tf参数会对节点的滞回性能产生较大的影响，从图5的（a）-（c）中可以发现，当参数的比值小于0.88时，节点在受力前期，产生的塑形变形较大，但是在后期，并不会产生明显的塑形变形，当钢结构节点受到破坏时，并不会发出明显的警示信号。D/tc参数的变化对滞回曲线的影响最大。

图5 节点模型滞回曲线

3.3影响骨架曲线的参数分析

在不同参数下得出的四组节点骨架曲线如图6所示。研究结果可以看出，在不同的参数影响下，四组骨架曲线都保持S形，屈服点比较明显。环板的角度和D/Wd值不会对节点的骨架曲线造成较大的影响，改变这两项参数，并不会导致骨架曲线出现明显的变化。t

d/tf参数并不会对处在弹性阶段的骨架曲线造成很大的影响,对处在破坏阶段的骨架曲线影响较大。D/tc参数的改变,会对节点的骨架曲线造成很大范围的影响，从图6（d）可以看出，处于弹性阶段时，节点在力的作用下基本保持不变，在弹性阶段之后，节点的承载力随着参数的增大而降低。

图6 节点模型骨架曲线

3.4影响耗能能力的参数分析

对节点抗震性能的评价离不开耗能能力的计算，一般用等效黏滞阻尼系数来表示混凝土柱的耗能能力。对等效黏滞阻尼系数he的计算，都是根据最大载荷条件下，此时的滞回环来计算的。

钢结构节点的等效黏滞阻尼系数一般都保持在0.12-0.20之内，根据对本实验的计算，最终的计算结果表明，节点的he都在0.21-0.44的区间内，由此可以得出，本文试验的钢结构节点具有较强的耗能能力，从侧面也反应出，节点具有较好抗震性能。环板的角度和D/Wd值不会对节点的耗能能力产生较大的影响。其余两项参数都会对节点的耗能能力产生较大的影响，节点的耗能能力与td/tf参数的变化呈现出正比例的变化趋势，与D/tc呈现出反比例的变化趋势。

结论

环板的角度和D/Wd参数的变化，并不会对钢结构节点的抗震性能产生明显的影响。td/tf和D/tc参数的变化，会对钢结构节点的破坏模态产生较大的影响。混凝土柱的宽厚比会对节点的承载能力和耗能能力产生较大的影响，D/tc和其之间的关系呈现出反比例的变化趋势。在对钢结构的节点进行设计时，需要保证td/tf的比值大于0.88。宽厚比最好不要超过20。环板的角度最好是处于30-90之间。D/tc的比值最好不要超过8。希望通过本文的研究，可以为钢结构的节点设计提供一定的帮助，让建筑单位在对钢结构节点进行设计时，设计出具有更强抗震性能的钢结构，保证建筑拥有更强的稳定性。

参考文献

[1]徐培蓁,张志鹏,李启明,朱亚光.加强环参数对矩形钢管柱-H型钢梁节点抗震性能的影响[J].结构工程师,2019,35(04):111-118.

[2]徐培蓁,李启明,朱亚光,菅元呈.不同外加强环形式的方钢管柱-H型钢梁节点抗震性能试验研究[J].工业建筑,2017,47(11):169-174.

[3]孙香红, 成豪杰, 孙华腾,等. 一种整体式外加强环复式钢管混凝土柱与钢梁连接节点:, CN211597064U[P]. 2020.

[4]孙华腾. 新型整体式外加强环复式钢管混凝土柱-H型钢梁节点抗震性能研究:.