朱奇云，郭子雄

（華僑大學土木工程學院，福建 泉州 362021）

SRC柱-RC梁混合節(jié)點非線性有限元分析

朱奇云，郭子雄

（華僑大學土木工程學院，福建 泉州 362021）

在SRC柱-RC梁混合節(jié)點試驗的基礎上，采用通用有限元分析軟件Ansys，建立考慮材料非線性的有限元分析模型.在單調(diào)加載作用下，對6個SRC柱-RC梁混合節(jié)點進行非線性數(shù)值模擬.改變梁縱筋配筋率和節(jié)點核心區(qū)配箍率，通過對荷載-位移曲線的分析，并與試驗結果的對比，研究強節(jié)點系數(shù)對SRC柱-RC梁混合節(jié)點的破壞形式、承載力、延性等影響.結果表明，有限元模擬得到的荷載-位移曲線與試驗結果吻合較好，從而驗證采用有限元數(shù)值模擬開展SRC柱-RC梁混合節(jié)點研究的可行性.

SRC柱-RC梁混合節(jié)點；強節(jié)點系數(shù)；非線性；有限元分析

型鋼混凝土（SRC）組合結構是今后多高層建筑應用的主要結構形式之一.由于鋼筋混凝土造價較低，SRC柱和RC梁的組合形式較適合在我國的工程實踐中推廣應用.目前，對SRC柱-RC梁混合節(jié)點的研究主要采用試驗手段，有限元分析較少.在試驗研究的基礎上，借助有限元數(shù)值模擬，可為試驗研究提供佐證，補充和豐富試驗研究結果.由于型鋼混凝土節(jié)點的復雜性，對型鋼混凝土結構的數(shù)值模擬主要集中在型鋼混凝土梁［1］、型鋼混凝土柱［2］等單個構件的研究，所以有必要開展SRC柱-RC梁混合節(jié)點的有限元數(shù)值模擬研究.本文以SRC柱-RC梁混合節(jié)點為研究對象，以Ansys軟件為有限元分析手段，對6個SRC柱-RC梁混合節(jié)點進行非線性數(shù)值模擬.

1 試驗概況

1.1 試驗設計

6個SRC柱-RC梁混合節(jié)點［3-4］柱反彎點之間距離為1.8m，梁反彎點之間距離為2.4m，柱截面尺寸均為250mm×250mm，柱型鋼均采用HW125mm×125mm×6.5mm×9mm（Q235），截面縱筋均為4Φ12mm，箍筋φ6@100.試件SRCJ1～SRCJ4的梁截面尺寸為200mm×250mm，梁截面配箍φ6＠100；試件SRCJ5～SRCJ6的梁截面尺寸為250mm×270mm，梁截面配箍φ8@100.梁柱縱筋均采用HRB335鋼筋，箍筋采用HPB235鋼筋，混凝土強度等級C45.

通過改變梁縱筋配筋率和節(jié)點核心區(qū)配箍，實現(xiàn)不同的強節(jié)點系數(shù).試件參數(shù)如表1所示.表1中：ηj為強節(jié)點系數(shù)，即節(jié)點的抗剪承載力與根據(jù)節(jié)點兩側(cè)梁端屈服承載力計算得到的節(jié)點剪力的比值；n為柱軸壓比.

節(jié)點核心區(qū)型鋼采用柱貫通式，RC梁外側(cè)縱筋連續(xù)穿過節(jié)點，內(nèi)側(cè)縱筋在型鋼翼緣處截斷，與柱型鋼翼緣相應位置伸出的連接鋼板進行可靠焊接.在柱型鋼腹板上連接鋼板對應位置設置水平加勁肋傳遞應力.

試驗采用柱端施加水平荷載方式，考慮P-Δ效應.施加水平荷載前，柱頂先由液壓千斤頂施加軸向荷載至預定值，并在試驗過程中保持恒定；然后，通過MTS電液伺服加載系統(tǒng)施加水平荷載，整個加載過程采用位移控制.各位移幅值在試件屈服前循環(huán)1次，在試件屈服后循環(huán)3次，直至試件承載力下降至最大荷載的85％停止加載.采用導桿引伸儀量測梁柱塑性鉸區(qū)域的彎曲變形和節(jié)點核心區(qū)的剪切變形，采用電阻應變片及應變花重點量測梁端縱筋、節(jié)點核心區(qū)箍筋和型鋼腹板的應變.

表1 試件參數(shù)Tab.1 Parameters of specimens

1.2 主要試驗現(xiàn)象

對于強節(jié)點系數(shù)較大的試件SRCJ1和SRCJ2，在試驗過程中裂縫發(fā)展主要集中于梁端，如梁端縱筋屈服、表層混凝土剝落、梁端形成塑性鉸，而節(jié)點核心區(qū)裂縫發(fā)展較少，型鋼腹板和箍筋應變較小，最終呈現(xiàn)“梁端彎剪”的破壞形態(tài)，如圖1（a）所示.

試件SRCJ3和SRCJ4在加載過程中梁端出現(xiàn)彎曲裂縫和斜向剪切裂縫，同時節(jié)點核心區(qū)出現(xiàn)交叉斜裂縫，型鋼腹板主拉方向達到屈服，破壞從梁端轉(zhuǎn)向節(jié)點核心區(qū)，呈現(xiàn)"梁端彎剪-節(jié)點剪切"的破壞形態(tài)，如圖1（b）所示.

強節(jié)點系數(shù)較小的試件SRCJ5和SRCJ6在試驗過程中主要在節(jié)點核心區(qū)形成X型剪切裂縫，且梁端與節(jié)點核心區(qū)接觸面產(chǎn)生粘結滑移裂縫.核心區(qū)型鋼腹板與箍筋均達到屈服后，節(jié)點剪切破壞迅速加劇，導致核心區(qū)混凝土剝落，試件以節(jié)點剪切破壞為主，如圖1（c）所示.

綜上所述，強節(jié)點系數(shù)是影響SRC柱-RC梁節(jié)點破壞形態(tài)的主要因素.

圖1 破壞形態(tài)Fig.1 Failure modes

2 有限元模型

2.1 參數(shù)定義

2.1.1 混凝土 混凝土采用Solid 65單元，實常數(shù)中的配筋率均取0，其材料性質(zhì)如表2所示.表2中：E0為混凝土彈性模量；f′c，ft分別為單軸抗壓強度和單軸抗拉強度；混凝土的泊松比為0.2；張開裂縫的剪力傳遞系數(shù)βt為0.35；閉合裂縫的剪力傳遞系數(shù)βc為0.9.

表2 混凝土的材料性質(zhì)Tab.2 Material properties of concrete

在Ansys分析中，混凝土破壞采用William-Warnke五參數(shù)破壞準則，混凝土材料本構關系按非線性彈性材料模型（MELAS）輸入.將SRC柱截面混凝土劃分為兩個區(qū)，如圖2所示.箍筋外的保護層混凝土視為近似無約束區(qū)；考慮到箍筋和型鋼對混凝土的約束作用，箍筋內(nèi)的混凝土視為約束區(qū).

圖2 截面劃分Fig.2 Section division

選取Saenz模型模擬箍筋外無約束區(qū)混凝土單軸受壓應力-應變關系.箍筋內(nèi)的混凝土處于多軸受力狀態(tài)，可等效為單軸受壓應力狀態(tài)，故采用Priestley等［5］改進的Mander［6-7］約束混凝土模型.即

2.1.2 鋼材 型鋼和支座處彈性墊塊采用無需設置實常數(shù)的Solid 45單元；縱筋和箍筋均采用Link 8單元模擬，根據(jù)鋼筋的面積輸入實常數(shù).型鋼、縱筋和箍筋采用多線性隨動強化模型（MKIN），鋼材單軸應力狀態(tài)下應力-應變曲線按考慮硬化的三折線模型輸入.鋼材的彈性模量根據(jù)規(guī)范取值，泊松比取0.3，鋼材的屈服強度和極限強度均采用材性試驗實測值，強化段的斜率取0.05Es.鋼材的材料性質(zhì)，如表3所示.

表3 鋼材的材料性質(zhì)Tab.3 Material properties of steel

2.2 模型建立

不考慮型鋼、鋼筋與混凝土之間的粘結滑移，采用實體建模方法.首先根據(jù)梁柱混合節(jié)點的幾何尺寸生成梁與柱的塊體，運用布爾操作將幾個實體膠合成整體.然后，在型鋼翼緣、腹板、加勁肋、鋼筋等關鍵位置處，用工作平面切分實體模型.最后，為型鋼和混凝土塊體賦予相應的材料屬性，選擇合理的網(wǎng)格密度對實體模型進行六面體單元映射網(wǎng)格劃分，以實現(xiàn)計算效率和精度的平衡.

選擇梁柱鋼筋所在位置的線，根據(jù)型鋼、混凝土單元的大小劃分網(wǎng)格，生成鋼筋單元.鋼筋與混凝土單元共用節(jié)點，建立的有限元模型如圖3所示.采用APDL參數(shù)化命令程序編寫命令流，通過在命令流中改變試件研究參數(shù)，能方便地實現(xiàn)不同研究參數(shù)試件的Ansys有限元數(shù)值模擬.

圖3 有限元模型Fig.3 Finite element model

2.3 加載求解

根據(jù)試驗中試件的實際約束邊界，柱底通過連接板與球鉸支座緊固連接，梁端與鉸接連桿上端通過連接件鉸接，以模擬梁柱反彎點處的鉸接.如果直接在柱底中部一排節(jié)點上約束3個平動自由度，會導致應力集中.將柱底所有節(jié)點約束3個平動自由度，不能真實地反映柱底鉸接.因此，在柱底設置彈性墊塊，約束墊塊中間一排節(jié)點的3個平動自由度.同理，在左右梁端均設置彈性墊塊，約束Y，Z向平動自由度.

加載過程分兩個荷載步.第一荷載步在柱頂施加恒定的軸向壓力.軸壓力通過對柱頂截面施加均勻面壓力模擬.采用此加載形式與試驗過程軸向壓力加載方式相同，軸向荷載始終垂直柱頂平面.

第二荷載步施加柱頂位移.考慮到水平荷載直接施加在柱頭節(jié)點可能會引起局部應力集中，且運算不收斂.因此在第二荷載步水平位移施加前，先對柱頂所有節(jié)點耦合水平加載方向的平動自由度；然后，對耦合后的主節(jié)點施加位移.這種加載形式能夠很好地避免應力集中.為使運算更好地收斂，打開自動時間步長、線性搜索和自由度預測.

3 計算結果分析

在Ansys中輸入APDL參數(shù)化設計語言編制的命令流，提取柱底節(jié)點的總反力和柱頂位移值，形成Ansys數(shù)值模擬的荷載-位移曲線.將其與試驗結果骨架曲線對比，結果如圖4所示.

從圖4可以看出，6個試件的Ansys有限元分析得到的荷載-位移曲線與試驗的骨架曲線總體吻合較好，與試驗結果表現(xiàn)出一致的規(guī)律.

圖4 數(shù)值計算與試驗結果對比Fig.4 Comparison between calculation and test results

根據(jù)荷載-位移曲線計算所得的主要特征點值，如表4所示.表4中：e為誤差值.為了與試驗結果相比，極限位移取水平荷載下降至最大荷載85％的點所對應的位移值；而屈服荷載、屈服位移則由能量等值法確定.

表4 特征點計算結果與試驗結果對比Tab.4 Comparison between calculation and test results at characteristic points

從表4可以看出，Ansys有限元計算所得的屈服荷載和最大荷載與試驗結果相比較為接近，兩者相對誤差在10％以內(nèi).但是，極限位移小于試驗結果.這主要是由于試驗加載后期，梁縱筋在節(jié)點核心區(qū)滑移引起附加的柱端位移，而有限元計算中未考慮梁縱筋與混凝土之間的滑移，致使有限元計算所得的極限位移偏小.

對于強節(jié)點系數(shù)較大的試件SRCJ1和SRCJ2，以梁端彎曲破壞為主，節(jié)點承載力與梁端縱筋配筋率有關.對比SRCJ3和SRCJ4，SRCJ5和SRCJ6的曲線，核心區(qū)配箍率較小的試件下降段相對較陡，節(jié)點核心區(qū)的箍筋配置對試件強度影響不大，對試件后期延性有一定影響，而且對于強節(jié)點系數(shù)較小的試件影響尤為顯著.

4 結束語

采用的數(shù)值模擬技術，可較好地實現(xiàn)Ansys有限元軟件對SRC柱-RC梁混合節(jié)點從加載到屈服，直至達到極限的全過程分析.通過對不同強節(jié)點系數(shù)的SRC柱-RC梁混合節(jié)點在單調(diào)加載作用下的非線性有限元模擬表明，有限元分析結果與試驗結果吻合較好.梁縱筋在節(jié)點核心區(qū)內(nèi)的粘結滑移對SRC柱-RC梁混合節(jié)點變形的影響不可忽略，建議在今后的節(jié)點數(shù)值模擬過程中，應考慮梁縱筋在節(jié)點核心區(qū)混凝土內(nèi)的粘結滑移.

［1］楊勇，郭子雄，聶建國，等.型鋼混凝土結構Ansys數(shù)值模擬技術研究［J］.工程力學，2006，23（4）：79-85.

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［3］莊云.SRC柱-RC梁混合節(jié)點抗震性能試驗研究［D］.泉州：華僑大學，2007.

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［5］PAULAY T，PRIESTL Y M J N.Seismic design of reinforced concrete and masonry muildings［R］.NewYork：John Wiley＆Sons Inc，1992.

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Nonlinear Finite Element Analysis of SRC Column-RC Beam Hybrid Joints

ZHU Qi-yun，GUO Zi-xiong
（College of Civil Engineering，Huaqiao University，Quanzhou 362021，China）

Based on the experimental results of steel reinforced concrete（SRC）column-RC beam hybrid joints，the finite element model considering material nonlinear is established by Ansys software.Nonlinear numerical simulation of six SRC column-RC beam hybrid joints under the monotonic loading is carried out.According to the analysis of load-displacement curves and comparison with experimental results，the influence of strength ratio of joint to beam on the failure modes，strength and ductility of specimens is investigated for different longitudinal reinforcement ratios of beam and stirrup ratios of joint core.The analysis results indicate that the load-displacement curves of six specimens are in good agreement with the experimental results，so the finite element numerical simulation of SRC column-RC beam hybrid joints is feasible.

SRC column-RC beam hybrid joints；strength ratio of joint to beam；nonlinear；finite element analysis

TU 375.102

A

1000-5013（2010）04-0453-05

（責任編輯：錢筠 英文審校：方德平）

2009-12-10

郭子雄（1967-），男，教授，主要從事工程結構抗震的研究.E-mail：guozxcy@hqu.edu.cn.

國家自然科學基金資助項目（50978107）；福建省自然科學基金資助項目（E0810021）；廈門市科技計劃項目（3502Z20093029）