SRC 柱—钢梁混合节点受力性能影响因素的数值模拟与参数分析

李光辉 和谊葛洲坝集团交通投资有限公司

摘要： 钢混凝土结构作为一种新型的建筑结构体系，在强度和承载能力方面明显优于普通RC结构，并具有良好的受力性能。地震时，许多建筑物的倒塌都是由于节点连接严重破坏，说明节点的正常运行是保证整个结构安全的重要前提。影响节点力学性能的因素较多，在实验室条件下完成多个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，表明两者吻合较好。基于该技术，对节点参数进行分析，综合考虑钢材强度、混凝土强度、楼板宽度等四组参数对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，从事公路技术管理工作。 ;

0 简介

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。本文采用H型钢配中节点。通过有限元模拟试验，对节点尺寸、边界条件、材料本构等进行一一描述。将试验结果与数值分析进行比较，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，为钢-混凝土组合结构在工程实践中的应用提供依据。

1 建立有限元模型 1.1 具体本构模型

混凝土本构模型采用《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）推荐的混凝土单轴压缩、拉伸应力应变关系曲线。根据上述方法和材料性能测试的实测结果[1]，结果如表1模型参数值所示。

表1 混凝土损伤塑性模型参数 下载原图

使用Abaqus软件分析时，混凝土塑性损伤模型有5个材料参数需要设置。其中，σb0/σc0和KC的值用于确定平面应力和挠度平面上屈服面的形状、展开角和偏移值。用于定义子午面上双曲流势能面的形状。粘性系数μ的值可以通过应变软化引起的分析能否收敛来确定。默认值为0。粘度系数越大，材料特性越硬。 ，粘性系数较小，计算结果更接近真实情况，但容易导致计算不收敛[2]。推荐参数值如表2所示。

1.2 钢材本构

Abaqus 软件中的弹塑性模型用于定义钢柱、钢梁、加劲肋、箍筋和纵向钢筋的材料本构。结合实验值，将钢材本构设定为双线模型[3]，采用Mises屈服准则。强化准则采用后续强化准则。该模型假设流动势面函数与屈服面函数相同，并且拉伸和压缩弹性模量被认为相同。同样，钢材屈服后的弹性模量为E′=0.01Es，应力应变关系仍为线性，泊松比为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值 下载原图

表3 钢材测试数据下载原图

1.3 单元选择和网格划分

模型采用分离式钢混凝土建模方法建立，即针对不同构件选择不同的单元。具体基于降积分原理，采用八节点六面体线性降积分三维实体单元C3D8R。线性降积分单元的计算结果比完全积分单元的计算结果更准确；对于楼板内部钢筋和混凝土柱钢筋，假设它们只能在受拉荷载作用下的桁架单元采用二节点三维桁架单元T3D2。输出变量是轴向应力和应变。有时也用来表示其他单元中的加强构件，因此柱、板中的钢筋均采用桁架。单元模拟；在对钢材建模时，考虑到构件装配的方便性等问题，采用四节点降积分格式的三维壳单元S4R。优点是结构内部不占空间，厚度方向的应力可以忽略不计。随后，通过编辑界面赋值Shell厚度，即建模完成[5]。网格的划分直接影响计算结果的收敛性和准确性。网格过于稀疏，计算单元减少，时间短，但往往会导致计算结果出现较大误差。如果网格太密，计算单元就会多，耗时长，而且容易出现不收敛问题。经过多次尝试，本文根据计算结果的比较，选择了50 mm的网格尺寸。

1.4 加载方法

梁端的承载面为 250 mm。通过在平面外建立参考点并将参考点耦合到加载表面，将对两侧参考点施加反对称位移。取单调加载时单元梁端部竖向位移δ作为位移加载控制的初始水平。位移级别分为1δ、2δ、3δ、4δ、5δ、6δ，每个位移级别循环3次。各构件的详细加固情况如表4所示。

表4 构件加固详细参数 下载原图

2 有限元模型验证

有限元分析过程中，混凝土板的损伤首先出现在板柱界面区域，并向外扩展。最后，板中部区域的混凝土达到最大损伤系数，可视为损伤。钢梁下翼缘处出现较大的塑性区域，与实验现象一致。

将SRC柱-钢梁节点试验结果与有限元软件骨架曲线和模拟滞回曲线进行对比可以看出，有限元计算结果与试验趋势基本一致。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。但在正弯矩作用下，有限元模拟骨架曲线一直在上升，与试验结果不同。负弯矩作用下的峰值载荷也有所不同。正负弯矩作用下的极限位移与极限荷载相差不大。造成上述偏差的主要原因是混凝土浇筑养护后，试验所用混凝土构件振捣不够密实，养护不到位，导致混凝土内部出现细小裂缝、孔洞，产生了对混凝土的力学性能产生负面影响。影响。在低循环往复荷载的作用下，混凝土板中的裂缝起作用并继续开裂和闭合。这种机械行为很复杂，受到许多因素的影响。仅通过有限元模拟建立混凝土塑性损伤模型，无法准确还原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，混凝土板与钢梁通过剪力螺栓有效连接，传递力。有限元模拟是通过对接触面进行约束约束来实现的，与实际情况并不完全一致，导致结果存在偏差。在开始加载之前，构件柱的顶部和底部与测试装置没有刚性连接，不可避免地会发生滑动。相比之下，有限元建模的加载方法趋于理想化，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来组装钢梁和钢柱。钢架焊接时会产生残余应力，也会影响结果。

综上所述，试验与数值分析结果较为相似，利用Abaqus软件模拟SRC柱-钢梁节点受力性能的可靠性较高。

3 节点参数分析

基于之前Abaqus研究SRC柱-钢梁节点的可靠性验证，通过软件选取五组参数对节点进行参数分析，分别是混凝土强度、钢梁高度、楼板厚度、钢材强度、楼板宽度，研究探讨了不同参数影响下SRC柱-钢梁节点在承受低周往复荷载时力学性能的不同表现。分析调整不同参数后接头极限状态钢的滞回曲线和刚度退化的变化。参数值如表5所示。

表5 主要分析参数 下载原图

3.1 混凝土强度

从模拟结果可以看出，采用不同强度的混凝土对节点承载力影响不大。这是因为混凝土强度的增加与抗拉能力的增加并不是线性相关的，且抗拉能力均较低，且混凝土强度值越高，倒塌前钢筋的强度越大，效果越明显。但混凝土损坏后，滞后曲线影响不大。位移20 mm前，增加中节点混凝土强度对刚度退化曲线有一定影响。此后，3条刚度退化曲线趋于一致，主要是因为混凝土的抗拉强度较低。随着循环次数的增加，损坏严重，工作逐渐停止。

3.2 钢材强度

从模拟结果可以看出，节点的初始刚度受钢材强度的影响较小，导致弹性阶段内滞回曲线的斜率几乎不变。对于随后的循环载荷，两种接头形式的接头承载能力与钢材强度呈正相关。因此，提高型钢的强度可以显着提高节点承载能力。使用 Q390 钢时，节点刚度始终是最大的。当位移较小时，Q235钢的刚度下降速率稍快，然后3条曲线以相似的速率下降。当位移较大时，Q390钢的刚度退化速率加快，最终的刚度退化曲线差异较小。

3.3 钢梁高度

从仿真结果可以看出，随着钢梁高度的增加，节点承载力和滞回性能变化显着。随着钢梁高度的增加，节点的初始刚度增加。当梁端受载时，转臂增大，在一定范围内增加了节点的承载能力。两类节点的梁高增加，刚度也增加。当位移较小时，梁高为234 mm的节点刚度退化较快，随后4条曲线以相似的速率减小，最终的刚度退化曲线相差不大。

3.4 混凝土板厚度

从模拟结果可以看出，在弹性阶段，混凝土板的厚度对节点刚度影响不大，节点的屈服强度随着板厚的增加而增大。在正弯矩的作用下，两个节点的承载能力均得到显着提高。这是因为混凝土的抗压强度远大于抗拉强度。在正弯矩的作用下，混凝土板主要受压，混凝土板受压。性能随着板厚度的增加而增加，从而增加接头的承载能力。在负弯矩作用下，随着楼板厚度的增加，楼板中受力钢筋的高度发生变化，从而影响组合梁截面中性轴的高度。当连接板厚度从100mm增加到120mm时，承载力显着增加。节点刚度退化趋势大致呈线性退化。在小位移阶段，厚度为120 mm的节点刚度最大，刚度衰减最快。随着梁端位移荷载的增大，3条曲线的刚度退化率逐渐接近，但厚度为120 mm的节点楼板的刚度仍然最大。

3.5 地板宽度

从模拟结果可以看出，从应力分布图可以看出，400 mm板宽节点钢的应力与其他三种情况存在显着差异。当板宽从800mm变化到1200mm时，型钢的应力分布几乎没有变化。当混凝土板宽度从400mm增加到800mm时，滞回曲线面积变大，节点承载力显着增加。从800 mm增加到1 200 mm时几乎没有变化。可能的原因是楼板的有效宽度在400～800mm之间。超过楼板有效宽度后，节点承载力受楼板宽度影响较小。 400mm板宽的节点刚度始终小于其他三种板宽的节点刚度，且三种板宽的刚度退化曲线几乎没有差异。

4 结论

(1)由于混凝土的抗拉能力较弱，混凝土强度的增加对节点承载力几乎没有影响。

(2)与Q235钢相比，Q345钢节点的承载能力显着提高，达到极限应力状态时残余刚度更大。 Q390钢的承载能力与Q345钢相比没有明显提高。

(3)钢梁高度的增加虽然增加了节点的初始刚度和承载力，但核心区腹板的最大应力也随之增大，对节点的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，但同时也造成钢梁下翼缘塑性面积增大，对结构稳定性产生负面影响联合的。

(5)楼板宽度对节点承载力的影响存在有效宽度范围。超过该值，楼板宽度的增加对节点承载力的提升有限。

(6) 本文建模过程中未考虑钢筋与混凝土的粘结滑移效应，简化了剪力连接件，将楼板与钢梁绑结，模拟结果较理想化，有待进一步完善优化。 ，以获得更符合工程实际的有限元模型。

(7)本文选取的参数有限，未考虑楼板配筋率、钢筋强度等因素对节点抗震性能的影响。每组参数的值较少。在今后的研究中，宜扩大影响因素和参数值选取的研究。

参考

[1] 杨蕾. 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] 王继云.侧向荷载下半刚性复合材料节点的非线性行为:实验与理论研究[D].香港:香港理工学院,1999.

[3] 苗生.基于抗震性能的型钢混凝土柱有限元分析[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。钢混凝土十字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。