郑 博，李 明，付 春, 2，郝艳婷

(1. 沈阳建筑大学 土木工程学院，辽宁 沈阳 110168; 2. 辽宁石油化工大学 土木工程学院, 辽宁 抚顺 113001)

方钢管混凝土柱不仅具有强度高、柔韧性好、节点构造简单等优势，而且兼顾安全性与经济性，因此常见于高层、大跨度建筑结构[1-4]。钢蜂窝梁(SCB)是在H型梁或工字型梁的腹板上按一定的折线进行切割后，错位重新焊接组合而成的新型梁，与实腹梁相比，具有质量较小、节约钢材、经济效益高等优势，因此在建筑工程中的应用日益广泛[5-8]。当地震突发时，钢蜂窝梁能较快地进入塑性阶段，形成“弱”梁的屈服机制。

研究方钢管混凝土柱-钢蜂窝梁连接节点的力学性能具有重要意义；但是目前有关这方面的研究还很少，因此，本课题组首先研究了外加强环式方钢管混凝土柱-钢蜂窝梁节点在低周往复荷载作用下的力学性能[6]。本文中在此基础上，继续进行内加强环式方钢管混凝土柱(IATCFSST)-SCB中柱节点的力学性能研究，分析不同参数对该种节点荷载-位移骨架曲线的影响。

1 IATCFSST-SCB中柱节点设计

为了分析不同因素对IATCFSST-SCB中柱节点荷载P-位移Δ骨架曲线的影响，设计27个中柱节点，见表1。标准节点JD的钢蜂窝梁的孔洞为圆孔，圆心在蜂窝梁的中心线上，钢蜂窝梁截面尺寸设计如下：腹板高度、厚度分别为0.468、0.008 m，翼缘宽度、厚度分别为0.25、0.016 m。混凝土强度等级为C40。设计时，参考文献[9]，开孔率取值小于65%，孔间距取为梁高的0.9～1.8倍，钢管直径均为0.5 m。

表1 不同参数的内加强环式方钢管混凝土柱-钢蜂窝梁中柱节点设计

2 有限元模拟方法及验证

采用ABAQUS有限元软件模拟IATCFSST-SCB中柱节点在低周往复荷载作用下的受力过程，有限元模型如图1所示。模型参数设置[10-15]如下：钢材采用三折线本构关系模型；混凝土采取ABAQUS中的塑性损伤模型；钢管、钢蜂窝梁和加强环均使用S4单元；柱两端的加载板和核心混凝土均使用C3DR8单元；钢管内使用一次单元。网格划分采用组合型，六面体为主，四面体为辅。方钢管与核心混凝土间的接触：以 “硬”接触模拟法线方向；以摩擦系数为0.6的库仑 “罚”摩擦公式模拟切线方向[13]。

图1 方钢管混凝土柱-钢蜂窝梁中柱节点的有限元模型

模型的边界条件参考文献[15]进行设置：对梁两端仅施加Y向位移约束，在柱底Z向施加转动约束的同时又在X、Y、Z向施加位移约束；当轴向荷载作用于柱顶时，对梁两端约束X向位移；当低周往复荷载作用于柱顶时，约束梁端Z向位移同时释放X向位移。荷载的施加方式是，首先将轴向均布压力作用于柱顶，然后以定义幅值的方式将位移控制的低周往复荷载作用于柱顶。模型约束条件及加载如图2所示。采用Newton-Raphson迭代法进行求解。

P—荷载；N—轴向压力。

由于目前尚未见到有关IATCFSST-SCB中柱节点在低周往复荷载作用下试验的文献，因此选择与该种节点高度相近的内加强环方钢管混凝土柱-实腹钢梁节点试验数据[15]，对上述有限元模拟方法进行验证。根据文献[15]中的试验加载及约束条件，模拟该文献中试件在低周往复荷载作用下的受力过程，图3所示为根据模拟结果提取的P-Δ骨架曲线与试验结果对比。从图可以看出，二者吻合较好, 验证了该模拟方法的有效性。

图3 模拟与试验荷载P-位移Δ骨架曲线的比较

3 P-Δ骨架曲线的影响因素

为了分析不同因素对IATCFSST-SCB中柱节点P-Δ骨架曲线[16]的影响，对表1中各节点的骨架曲线进行对比分析。通过图4的定义，计算了各节点的极限荷载Pmax、屈服荷载Py、破坏荷载Pu=0.85Pmax，极限位移Δu、屈服位移Δy和位移延性系数(μ=Δu/Δy)，具体数值见表2。由于在不同参数对比分析时，均有标准节点，为了便于观察，将标准节点的计算结果重复列于表2中，并以下划线标识。

Pe—比例极限荷载；Pmax—极限荷载；Pu—破坏荷载；Py—屈服荷载；Δe、Δy、Δu— Py、Pu、Pmax对应的位移。

表2 各节点的屈服荷载、极限荷载、破坏荷载、屈服位移、极限位移和位移延性系数

3.1 环板宽度

设环板宽度分别为0.075、0.125、0.175、0.225 m，环板宽度对P-Δ骨架曲线的影响如图5所示。从图5和表2可以看出：环板宽度变化时，节点各阶段的荷载增大或减小不明显，均不超过2%；当环板的宽度较小时，节点的屈服位移和极限位移较大，但是随着环板宽度的增加，两者变化较小，宽度由0.075 m增大到0.125 m时，两者分别减小13.2%、15.4%，但当环板宽度增加到一定数值(0.125 m)后，两者变化不再明显，如宽度由0.125 m增加到0.225 m，两者变化均不超过7%。环板宽度变化时，节点的位移延性系数变化很小。出现这种现象的原因是，环板宽度变化主要影响梁端的屈服机制，当环板宽度增加到一定数值后，屈服位置主要发生于梁端，因此节点的屈服位移和极限位移变化不再明显。上述现象表明，环板宽度较小时，节点刚度较弱，随着环板宽度增加，节点的屈服位移和极限位移明显减小，但环板宽度增加到一定数值后对两者影响不再明显。同时，环板宽度变化对节点的承载力和延性影响不明显。

图5 环板宽度B对荷载P-位移Δ骨架曲线的影响

3.2 环板厚度

设环板厚度分别为0.016、0.022、0.028、0.034 m，不同环板厚度对P-Δ骨架曲线的影响如图6所示。由图6和表2可以看出，环板厚度变化时，节点的各个阶段的荷载、屈服位移、极限位移和位移延性系数变化都不大，最大不超过6%。出现这种现象的原因是钢蜂窝梁的屈服区域主要出现在梁端，当内加强环的厚度与梁翼缘的厚度相同时，增大内加强环板的厚度对屈服位移的影响很小，因此，内加强环板厚度的改变对节点的承载力和位移影响很小。

图6 环板厚度t对荷载P-位移Δ骨架曲线的影响

3.3 轴压比

设轴压比分别为0.2、0.5、0.6、0.8，不同轴压比对P-Δ骨架曲线的影响如图7所示。由图7和表2可以看出，改变轴压比对屈服位移和各阶段的荷载影响不大，而且轴压比由0.2增大到0.8时，极限位移和位移延性系数分别增加了6.3%和8%。导致上述现象的原因是，随着轴压比增大，混凝土对于钢管的约束性变大，柱变得更强，梁首先发生屈服和破环，从而延性略有增大。综上所述，虽然轴压比的变化对承载力的影响很小，但是随着轴压比增大，节点的延性略有增大。

图7 轴压比n对荷载P-位移Δ骨架曲线的影响

3.4 柱截面含钢率

设柱截面含钢率(简称含钢率)分别为0.067、0.108、0.132、0.156，不同含钢率对P-Δ骨架曲线的影响如图8所示。由图8和表2可以看出：随着含钢率增大，节点各阶段荷载和位移延性系数增大，含钢率由0.067增大到0.156时，节点的屈服荷载、极限荷载、破坏荷载分别增加25.8%、23.5%、23.6%，位移延性系数增加12.5%，但节点的屈服位移和极限位移分别减小24.3%、19.3%；含钢率增大时，P-Δ骨架曲线呈现较快的屈服并较早地出现下降趋势。导致上述现象的原因如下：含钢率越大，节点的刚度越大，柱越不容易变形，因此节点的承载力强；柱不容易发生变形，蜂窝梁的屈服和破坏过程就会加快，因此节点的屈服位移和极限位移减小，骨架曲线会提前出现下降段并且下降明显。由此说明，含钢率的变化对节点有重要影响，含钢率增大，节点的屈服位移和极限位移减小，承载力和位移延性系数显著增大，骨架曲线提前出现明显下降趋势。

图8 柱截面含钢率α对荷载P-位移Δ骨架曲线的影响

3.5 钢材屈服强度

设钢材屈服强度分别为235、345、390、420 MPa，不同钢材屈服强度对P-Δ骨架曲线的影响如图9所示。由图9和表2可以看出，钢材屈服强度增大，节点在各阶段的荷载和屈服位移均增大，钢材屈服强度由235 MPa增大到420 MPa时，屈服荷载、极限荷载、破坏荷载分别增加68%、41.6%、41.7%，屈服位移增加40.7%，而极限位移变化不明显，位移延性系数减小27.3%。导致上述现象的原因可能是，钢材屈服强度增大使节点的承载力增强，并导致屈服位移增加，同时，钢管和环板的强度增大，钢管对混凝土的约束作用增强，节点域刚度增大，变形减小，因此，梁端更容易破坏，节点的位移延性系数反而减小。综上所述，增大钢材屈服强度可以提高节点的承载能力，但会导致延性减小。

图9 钢材屈服强度fy对荷载P-位移Δ骨架曲线的影响

3.6 梁柱线刚度比

节点的梁柱线刚度比变化主要通过改变梁长实现。设钢材梁柱线刚度比分别为0.20、0.26、0.32、0.40，不同梁柱线刚度比对P-Δ骨架曲线的影响如图10所示。由图10和表2可以看出：梁柱线刚度比由0.2增大到0.4时，屈服荷载、极限荷载、破坏荷载分别增加了32.1%、21.7 %、21.4%，屈服位移、极限位移、位移延性系数呈逐渐减小趋势，分别减小了11.1%、20.8%、11.1%。导致上述现象的原因是，随着梁柱线刚度比增大，柱对梁的约束作用相对增强，因此，节点整体的承载能力提高，而屈服位移、极限位移和位移延性系数减小。综上所述，增大梁柱线刚度比会提高节点的承载力，但会减小屈服位移、极限位移和位移延性系数。

图10 梁柱线刚度比i对荷载P-位移Δ骨架曲线的影响

3.7 开孔率

设蜂窝梁的开孔率分别为0、0.34、0.43、0.51，不同开孔率对P-Δ骨架曲线的影响如图11所示。通过改变梁的圆孔半径R实现开孔率变化，各开孔率对应的开孔半径分别为0、0.080、0.100、0.200 m。由图11和表2可知：开孔率由0增大到0.51时，屈服荷载、极限荷载、破坏荷载分别减小了22.8%、25.9%、25.9%，屈服位移、极限位移、位移延性系数也呈逐渐减小趋势，分别减小了11.8%、20.6%、11.1%。导致上述现象的原因是，随着开孔率的增加，梁的刚度被削弱，导致梁提前达到屈服状态，进而节点整体的承载力越来越小，位移延性系数也减小。综上所述，增大开孔率会使节点的承载力、位移延性系数等参数减小。

图11 开孔率r对荷载P-位移Δ骨架曲线的影响

3.8 孔间距

设蜂窝梁的孔间距分别为0.270、0.340、0.450、0.475 m，不同孔间距对P-Δ骨架曲线的影响如图12所示。由图12和表2可看出：孔间距由0.270 m增大到0.475 m时，屈服荷载、极限荷载和破坏荷载和屈服位移分别增加了45.2%、26.4%、35.9%、13.8%。随着孔间距的增大，节点的极限位移和位移延性系数先减小后增大，当孔间距由0.270 m增大到0.340 m时，极限位移、位移延性系数分别减小了11.1%、21.9%；当孔间距由0.340 m增大到0.475 m时，极限位移、位移延性系数分别增大了15%、8%。导致上述现象的原因是，孔间距越大，梁的抗弯模量越小，节点的承载力越大，极限位移和位移延性系数越大，但是，当孔间距较小时，孔的存在改变了梁的受力模式，形成类似“桁架”结构的效应，导致节点的极限位移和位移延性系数随孔间距增大先减小后增大。由此说明，随着孔间距增大，节点的承载力和屈服位移明显增大，但极限位移和位移延性系数先减小后增加。

图12 孔间距s对荷载P-位移Δ骨架曲线的影响

3.9 孔洞中心到柱壁的距离

设蜂窝梁柱端第1个孔洞中心到柱壁的距离(简称孔壁距离)分别为0.150、0.250、0.300、0.375 m，不同距离对P-Δ骨架曲线的影响如图13所示。从图13和表2可以看出：孔壁距离改变，节点的承载力变化不大；孔壁距离增加，节点的极限位移和位移延性系数减小，但减小程度不大，孔壁距离由0.150 m增大到0.375 m时，两者分别减小了6.9%、7.4%。由于在选择该距离时，最小距离满足钢蜂窝梁的设计要求，因此，该距离对节点承载力影响不明显。随着孔壁距离增大，即钢蜂窝梁的第1个圆孔到梁端的距离增大，梁端削弱范围减小，因此，节点的极限位移和位移延性系数呈现先减小后增大的趋势，但影响程度不大。由此说明，节点的承载力受孔洞中心到柱壁的距离影响较小，节点的极限位移和位移延性系数随该距离的增大而先减小后增大。

图13 孔洞中心到柱壁的距离d对荷载P-位移Δ骨架曲线的影响

4 结论

通过不同因素对IATCFSST-SCB中柱节点P-Δ骨架曲线的影响的对比分析，得出以下结论：

1)环板宽度、环板厚度、轴压比和孔洞中心到柱壁的距离对节点P-Δ骨架曲线影响较小，钢材屈服强度、柱截面含钢率、梁柱线刚度比、孔间距和开孔率对节点P-Δ骨架曲线影响较大。

2)钢材屈服强度和梁柱线刚度比增大，节点的承载力显著增强，延性明显减小；柱截面含钢率增大，节点的承载力增大，但屈服位移和极限位移逐渐减小，且当柱截面含钢率增加到一定数值后，骨架曲线呈现明显下降的趋势。

3)随着孔间距增大或开孔率减小，节点的承载力显著增大，因此合理地设置孔间距和开孔率对节点的骨架曲线有重要影响。满足设计要求时，梁柱端第1个孔洞中心到柱壁的距离对节点P-Δ骨架曲线影响较小。