1、2023 年 28 期研究视界科技创新与应用Technology Innovation and Application方钢管混凝土柱-钢梁框架抗震性能研究李斌，赵媛媛*（内蒙古科技大学，内蒙古 包头 014000）随着社会的快速发展，传统连接形式框架被逐渐淘汰，装配式建筑已成为未来中国建筑业的主要发展方向。与传统框架相比，装配式框架具有施工时间短、质量高、安全、环保和节能等优点。国内外学者对钢管混凝土柱-钢梁框架进行了一些试验和理论研究，李仁庆1对新型半刚性连接框架进行拟静力试验和模拟计算，分析不通过参数下框架的抗震性能，给出新型框架的合理层高和跨长；王静峰等2对端板连接的钢管混凝土柱钢梁框架
2、进行水平低周反复荷载试验，对比分析不同截面的钢管混凝土框架，得出圆钢管混凝土组合框架的耗能能力和延性好于方钢管混凝土组合框架，但承载能力没有方钢管混凝土组合框架高；王文达等3研究了圆形及方形钢管混凝土柱-钢梁框架的力学性能和使用计算方法，在以往理论的基础上，提出了关于钢管混凝土框架荷载-侧移实用恢复力模型和位移延性系数的简化计算方法；赵均海等4分别对装配式复式钢管混凝土框架结构和传统连接复式钢管混凝土框架进行试验研究，结果表明：两种框架均具有较好的抗震性能，提出的新型梁柱节点能够提高框架的延性。1试件设计概况1.1框架尺寸依据实际工程，选择高 1.2 m，跨长 1.5 m 的缩尺模型为框架模型
3、如图 1 所示。钢管混凝土柱截面的选取，按实际工程钢管混凝土柱截面面积的 1/4 选 150 mm伊150 mm伊5 mm。钢梁的设计首先保证其截面满足整体稳定和局部稳定的构造要求，再依据试件设计参数所要求的梁柱线刚度比初选截面，根据强柱弱梁的要求验算选定梁截面尺寸是否需要调整。最后根据 GB509362014 钢管混 凝 土 结 构 技 术 标 准5、GB500172017钢结构设计标准6、GB 500112010建筑抗震设计规范（2016 版）7对其进行强剪弱弯、第一作者简介：李斌（1961-），男，博士，教授。研究方向为钢与混凝土组合结构。*通信作者：赵媛媛（1998-），女，硕士研究生
4、。研究方向为钢与混凝土组合框架。摘要：该文通过 ABAQUS 有限元软件对单层单跨的方钢管混凝土柱-H 型钢梁框架进行有限元模拟计算。按 1颐4 缩尺建立框架模型，施加低周往复荷载作用，分析框架的受力过程；改变节点形式，分析不同节点刚性框架的破坏形式、滞回曲线和骨架曲线。结果表明，使用新节点的钢管混凝土框架具有较好抗震性能；与刚性连接的框架相比，框架能够有效保证节点域安全可靠，充分发挥梁的耗能能力。关键词：方钢管混凝土柱；H 型钢梁；框架；数值模拟；抗震性能中图分类号院TU398.9文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤28-00怨远-0源Abstract:In this pa
5、per,the finite element simulation of single-story single-span concrete-filled square steel tubular column-H-shaped steel beam frame is carried out by ABAQUS finite element software.The frame model is established according to 1:4scale,low cyclic load is applied to analyze the stress process of the fr
6、ame,and the failure forms,hysteretic curves and skeletoncurves of rigid frames with different joints are analyzed by changing the joint form.the results show that the concrete-filled steeltubular frame with new joints has better seismic performance,and compared with the frame with rigid connections,
7、the frame caneffectively ensure the safety and reliability of the joint domain and give full play to the energy dissipation capacity of beams.Keywords:concrete-filledsquaresteeltubularcolumn;H-shapedsteelbeam;frame;numericalsimulation;seismicperformanceDOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.28.02496-研究视界科
8、技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 28 期强节点弱构件的验算，使其满足抗震设计要求。1.2节点设计国外学者8提出了一种新型钢管混凝土柱-钢梁的全螺栓连接节点，在梁翼缘放置槽钢连接件，梁与柱的连接通过侧板与柱以及侧板与槽钢连接件来完成，连接全部使用螺栓，节点形式如图 2 所示。考虑到钢管柱要浇灌混凝土，将与柱螺栓连接的侧板改为焊接，在梁腹板上增加竖板抵抗剪力。节点形式如图 3 所示。图 1框架尺寸图图 2节点形式图 3改进的节点形式2框架有限元分析2.1本构模型模型中钢材均采用 Q235 钢，钢材本构模型采用考虑钢材强化和下降段的
9、二次塑流模型，泊松比取0.3；高强螺栓采用应力应变三折线模型，不考虑下降段；模型采用 ABAQUS 中自带的混凝士本构关系-塑性损伤模型来定义混凝土的材料参数。塑性损伤模型主要是用来分析混凝土结构在循环和动力荷载作用下的一个普遍分析模型，适用于混凝土构件的轴压模拟和滞回模拟。并根据 GB 500102010 混凝土结构设计规范9中所给的混凝土单轴拉、压应力-应变函数关系定义。首先需要用各向同性的线弹性模型来定义混凝土的弹性属性，弹性模量E=34020Pa，密度滓=2420 kg/m2，泊松比取 0.2。其次用各项同性的压缩塑性来定义混凝土的塑性行为，注意这里的塑性曲线是压应力对应的塑性应变的曲
10、线，这样定义的材料的塑性硬化行为就是线性硬化。混凝土塑性损伤模型参数见表 1。表 1混凝土塑性损伤模型参数2.2模型建立方钢管混凝土柱-钢梁框架中的方钢管和核心混凝土、H型钢梁、螺栓、侧板、槽钢连接件、竖板，均选用C3D8R（八节点六面体线性减缩积分三维实体单元）。网格划分采用结构化的网格和少量的扫掠网格结合10。模型主要采用面与面接触模拟钢材与钢材、钢材与混凝土之间的接触，其中需要焊接的部位采用绑定约束。模型的柱脚采用固接，模型共设置 3 个分析步：第一步施加高强螺栓预紧力、第二步施加柱顶轴向力、第三步施加水平荷载。2.3受力全过程分析加载初期，框架应力无变化，框架处于弹性阶段。加载到 15
11、 mm 时，梁端和柱脚开始屈服，出现塑性铰，此时可以明显看出梁端和柱脚的应力变化，较大应力皆出现在梁端和柱脚。节点的槽型连接件在远离钢管混凝土柱的一侧应力较大，侧板则在钢管混凝土柱和钢梁连接处的应力较大，可以看出侧板此处的截面为薄弱截面，框架极有可能在此处发生破坏；加载到 40 mm时，此时框架的应力云图如图 4 所示，可以明显地看出在梁端和柱脚的应力大于其他部位，加载结束。节点域侧板、槽钢连接件和高强度螺栓在极限载荷下，均处于弹性阶段，节点核心区域安全可靠。图 5、图 6 分别是梁翼缘上螺栓在屈服阶段和加载终止时的应力云图，螺栓预紧力的施加是分步进行的，首先施加一小部分预紧力，随后施加完整的
12、预紧力。在受力过程中，侧板上螺栓应力变化不大，螺栓具有较好的连接性；梁翼缘上的螺栓与槽钢连接件的受力相对应，最外排螺栓随着荷载的施加应力逐渐增大，其他地方应力变化不明显。弹性模量/MPa 泊松比 膨胀角/偏心距/mm fb0/fc0 不变量 应力比K 黏性 系数 33 100 0.2 20 0.1 1.16 0.667 0.000 5 97-2023 年 28 期研究视界科技创新与应用Technology Innovation and Application表 2节点转动刚度的主要参数注：EIb为梁的抗弯刚度，Mu为极限弯矩，Lb为梁跨度（相邻两柱轴心间距离），K0为初始转刚度，Ku为节点极限
13、弯矩对应的转动刚度。试件 0K/(kNmrad-1)bbEIL/(kNmrad-1)bb0EILK Mu/(kNm)uK/(kNmrad-1)基准框架 17 000.7 1 067.6 15.92 255.6 753.54 图 4半刚性框架图 5螺栓屈服时应力图 6螺栓加载终止时2.4节点弯矩-转角曲线在低周往复荷载作用下的弯矩-转角曲线中，弯矩M 为梁端弯矩，转角 兹 为梁角与柱转角的差值。弯矩-转角曲线如图 7 所示。图 7弯矩-转角曲线按照欧洲规范 EC3 的评价方法，对框架刚性进行分类评价。以转动刚度为标准：淤铰接时，初始转动刚度与抗弯刚度除以跨度的比值小于等于 5；于刚接对无侧移框架
14、初始转动刚度与抗弯刚度除以跨度的比值大于等于 8，对有侧移框架初始转动刚度与抗弯刚度除以跨度的比值大于等于 25。半刚性连接位于两者之间。由表 2 可知，基准框架初始转动刚度与抗弯刚度除以跨度的比值等于 15.92，属于半刚性框架。3节点刚性对框架影响基于前一章，对框架刚性进行计算，分析不同节点刚度对框架的影响，在半刚性框架的基础上改变节点参数，螺栓连接改为焊接，即将节点连接形式改为刚性连接，刚性框架的各部件尺寸、梁柱截面均与半刚性框架保持一致，边界条件、荷载约束以及加载方案与基准模型相同。S,Mises(Avg:75%)+4.500e+02+4.125e+02+3.750e+02+3.375
15、e+02+3.000e+02+2.625e+02+2.250e+02+1.875e+02+1.500e+02+1.125e+02+7.500e+01+3.750e+01+1.225e-03S,Mises(Avg:75%)+3.315e+02+3.040e+02+2.765e+02+2.490e+02+2.216e+02+1.941e+02+1.666e+02+1.391e+02+1.116e+02+8.413e+01+5.664e+01+2.915e+01+1.668e+00S,Mises(Avg:75%)+3.460e+02+3.174e+02+2.888e+02+2.601e+02+2.3
16、15e+02+2.028e+02+1.742e+02+1.456e+02+1.169e+02+8.829e+01+5.966e+01+3.102e+01+2.380e+003.1破坏形态对比图 8 为刚性框架的应力云图，从图 4、图 8 可看出 2 种框架的破坏模式有所不同，刚性框架的应力主要集中出现在梁柱连接处，刚性框架钢管混凝土柱的破坏较为严重，梁翼缘和腹板的应力变化较大；采用螺栓连接的本文框架，应力变化主要出现在槽型连接件以外的梁端和柱脚，梁腹板应力变化较小且梁上应力分布呈现中心对称，充分发挥梁的耗能能力。3.2荷载位移曲线对比图 9、图 10、图 11 分别是不同节点形式框架的滞回曲线
17、和骨架曲线对比，从图中可以看出，刚性框架的滞回环相较于半刚性框架较为饱满，但半刚性框架的初始刚度比刚性框架提高了 10%，半刚性框架开始形0.000.010.020.030.040.05300250200150100500转角/rad98-研究视界科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 28 期成明显滞回环的位移比刚性框架高 60%。从骨架曲线可以看出半刚性框架极限承载能力高于刚性框架，极限承载力达到了刚性框架的 2.31 倍。图 8刚性框架4结束语采用新节点的半刚性框架在低周往复荷载作用时，塑性铰出现在槽型连接件以外的梁端和柱脚，
18、节点安全可靠，框架具有较好的抗震性能；将半刚性框架和刚性连接框架的应力云图和抗震性能进行了对比分析，刚性框架在梁柱连接部位出现了应力集中现象，梁翼缘和腹板以及柱翼缘的变形较大。半刚性框架通过螺栓将梁柱连接，有效地将塑性铰位移，节点各部件均处于弹性阶段，节点可靠。虽然刚性连接框架的滞回曲线较为饱满，但半刚性框架的极限承载力明显增大。参考文献院1 李仁庆援新型方钢管柱-H 型钢梁半刚性连接钢框架抗震性能研究D援徐州：中国矿业大学，2019援2 王静峰，王海涛，王冬花，等.钢管混凝土柱-钢梁单边高强螺栓端板连接框架的拟静力试验研究 J.土木工程学报，2017，50（4）：13-20，31.3 王文达
19、，韩林海，陶忠.钢管混凝土柱-钢梁平面框架抗震性能的试验研究J.建筑结构学报，2006（3）：48-58.4 赵均海，胡壹，张冬芳，等援装配式复式钢管混凝土柱-钢梁框架抗震性能试验研究J援建筑结构学报，2020，41（8）：88-96援5 钢管混凝土结构技术规范：GB 509362014S.北京：中国建筑工业出版社，2014.6 钢结构设计标准：GB 500172017S.北京：中国建筑工业出版社，2017.7 建筑抗震设计规范（2016 年版）：GB 500112010S.北京：中国建筑工业出版社，2016.8 LEE J，FENVES G L.Plastic-damage model fo
20、r cyclicloadingofconcretestructuresJ.JournalofEngineeringMechanics，1998，124（8）：892-900.9 混凝土结构设计规范：GB 500102010S.北京：中国建筑工业出版社，2010.10 曹金凤，石亦平援ABAQUS 有限元分析常见问题与解答M援北京：机械工业出版社，2009援图 10刚性框架滞回曲线-40-30-20-1010203040500-400-300-200-1000100200300400位移/mm-60-40-202030600位移/mm-300-200-1000100200300-60-40-202040600位移/mm-300-200-1000100200300图 9新型框架滞回曲线图 11骨架曲线对比S,Mises(Avg:75%)+5.718e+02+2.433e+02+2.231e+02+2.029e+02+1.827e+02+1.625e+02+1.423e+02+1.221e+02+1.019e+02+8.172e+01+6.152e+01+4.132e+01+2.111e+01+9.128e-0199-
