姚伟豪，陈俊言，刘欣，周德林，蒋玥宇

（1.中建二局第一建筑工程有限公司，北京 100000；2.中国建筑第二工程局有限公司，北京 100000）

1 引言

随着社会经济的发展和人口的增长，需要不断建设住宅和写字楼，但土地资源有限，促使建筑物向高层、超高层发展[1-2]。对于超高层建筑的稳定性也有更为严格的设计要求，以小震不坏、中震可修、大震不倒的设计目标应对可能出现的地震等自然灾害[3-4]。因此考虑到地震作用，为了保证高层和超高层建筑的稳定性，一方面需要保证节点部位具备较高的强度和延性，另一方面需要使用承载力和刚度较高结构体系——劲性混凝土框架结构[5]。对于混凝土框架组合结构节点的力学性能及实用性能，大量学者进行了研究。印文铎等[6]通过计算机-加载器联机试验对两层两跨的钢筋混凝土框架结构进行了地震反应试验并建立了框架结构的层间恢复力模型，最终通过与试验的实测数据进行对比发现二者吻合程度较高，验证了模型的可行性。倪强等[7]根据地震结构破坏的特点，结合三维非线性分析方法，建立了一种判别建筑物整体或局部机动特征的算法，应用该算法对钢混框架结构的建筑进行模拟试验，发现了该算法对于判别建筑物机动特征具有较好的效果。陈子康等[8]针对装配式钢筋混凝土框架结构的节点和整体性进行研究，通过对国内外装配式钢混框架结构的研究进行归纳总结，对比不同的应用场景以及装配式钢混框架结构所出现的问题，提出了针对装配式钢混框架结构应用问题的解决办法。吕西林等[9]对装配式预制混凝土框架结构进行了拟动力试验，发现此种混凝土框架结构具备一定的抗震性能，在节点处采用橡胶垫螺栓的设计方法可以有效避免采用焊接而导致的节点严重破坏现象。虽然学者们针对钢混框架结构及其节点进行了各种试验分析，但鲜有研究针对劲性混凝土柱框架结构的节点进行力学分析。本文以劲性混凝土框架结构节点为研究对象，借助有限元模拟软件，依托试验实测数据，对劲性混凝土柱框架结构节点的力学性能进行研究分析，为提高结构的应用率提供一定的参考依据。

2 研究对象

2.1 材料类型

本文使用的材料类型为劲性混凝土结构材料，一般劲性混凝土结构在混凝土中配置型钢或栓钉进行组合，将钢筋与混凝土组合在一起，使二者在工作过程中具备一定的协同性。组合后的钢混构建不仅具有混凝土的高抗压性能，同时兼具钢筋的高抗拉性能，大幅度提高了整体构件的抗震能力、承载能力以及刚度。

2.2 节点构造

依据我国组合结构相关规范，本文选取型钢混凝土柱-组合梁组合节点为研究节点，并选取工字型实腹式型钢混凝土柱，如图1 所示。该构造由工字型钢和混凝土板构成，通过在四周设置栓钉将混凝土板与工字型钢固定，保证钢与混凝土工作期间具备一定的协同性。

图1 实腹式工字型钢混凝土柱

3 研究方法

本文借助ABAQUS 工程模拟有限元软件，针对配有工字钢的劲性混凝土框架组合结构的节点，对其在往复均布荷载作用下的力学特性进行模拟研究，具体步骤如下。

①针对型钢特点使用ABAQUS 软件进行建模，并根据混凝土的应力应变曲线关系，确定混凝土的本构方程，依据《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010），混凝土的本构方程可确定为：

式中：at为曲线下降区间的参数值；ft,r为混凝土的抗拉强度标准值；εt,r为抗拉强度标准值所对应的峰值应变；dt为混凝土在受拉过程中的损伤参数。

②将模型参数控制，荷载设置为往复均布荷载，且为了使结果具备可对比性，将荷载大小、泊松比、偏心率等参数设置为与文献[6]实际试验参数一致，以此使得模拟效果与实际效果具备一定的可对比性。

③对于边界条件及加载方式的设置，本文对梁上表面施加约束，并使其左右两侧不限制其自由度，通过设置三个分析步对结构进行加载。在第一个分析步中，对型钢上表面施加大小为1540kN/m2的均布荷载；在第二个分析步中，选取0.25、0.50、0.75 倍的屈服位移视为控制点对梁进行往复加载，如图2 所示；在第三个分析步中，选取屈服位移的整数倍作为控制点对梁进行往复加载，并加载至构件完全被破坏，其加载曲线如图3所示。

图2 第二个分析步加载曲线

图3 第三个分析步加载曲线

4 结果分析

4.1 型钢受力分析

采用ABAQUS软件的Standard/Explicit 模型对节点处工字型钢进行建模，其中上表面均布荷载大小设置为1540kN/m2，泊松比设置为0.3，杨氏模量为2.1×105。设置网格并采用力-位移收敛准则以及牛顿-拉夫逊迭代法对其进行非线性运算，采用共轭梯度求解器得到了如图4 所示的工字型钢未变形图。

图4 工字型钢未变形图

在未变形图的基础上通过ABAQUS绘制出了变形图，如图5所示。

图5 节点处工字形钢变形图

由图可知，在一倍屈服位移的第一次循环中，左侧的型钢上下翼缘处首先屈服，其屈服应力为211MPa。随着应力的不断增加，应力在作用面上会逐渐向型钢两侧发散，并在接近翼缘处达到最大的屈服应力，其最大屈服应力为253MPa。因此在第一次循环终止时，工字型钢的腹板及翼缘处均屈服，其屈服应力为233MPa。

为了更直观地反映节点处型钢的变形过程，通过ABAQUS 绘制了图6 所示的变形云图。

图6 节点处工字型钢受力变形云图

在图5 分析的基础之上，可以看出随着变形的加深，左端部位移的加大，工字型钢翼缘和腹板处的应力不断上升，但在总体加载过程中，其上升的应力均未达到其极限承载能力。但其在荷载施加过程中最大应力出现于节点处的核心区域，在二倍屈服位移的第二次循环过程中，最大应力为21.2MPa，远低于其极限承载能力。最终在四倍屈服位移的加载循环过程中，钢的承载能力下降，变形加大最终导致节点受到破坏。

4.2 有限元与实测对比分析

为了验证有限元计算方法的准确性，本文引用已有的文献试验数据与有限元模拟数据进行对比分析。对比验证的试验数据来自文献[6]中的型钢-混凝土柱工字节点试验，试验所采用的荷载类型为均布荷载，施加面为型钢上表面，主要试验方法为在钢梁表面以正对称形式往复施加荷载，在前期循环过程中主要采用力控制的方法，至钢梁开始屈服完成后采用位移的控制办法直至构件被破坏。

其实际的破坏形态如图7 所示。破坏特征为节点处核心区域混凝土变形鼓出，节点总体承载能力降低，致使节点破坏，破坏过程中节点处的承载能力降低为极限承载力的75%。在构件最终破坏时，根部区域未发现明显的塑性铰，节点处的延性急剧降低使其发生剪切破坏的破坏形态，其破坏过程与效果与上文模拟效果相近。

图7 文献[6]中的实际节点破坏形态

为了进一步对比试验与有限元模拟效果，分别从滞回性能、延性与承载能力三个方面进行分析，绘制了如图8 所示的骨架曲线。

图8 有限元与试验骨架曲线对比图

图8为有限元与试验骨架曲线对比图。从图中可以看出试验骨架曲线与有限元骨架曲线的变化程度一致，吻合度与相关性较高。此结果表明，使用有限元模拟计算的结果具有一定的准确性，且试验结果与有限元模拟结果能够相互验证。但有限元与试验骨架曲线仍存在略微差别。具体表现为有限元骨架曲线的最大值大于试验曲线的最大值，最小值小于试验曲线的最小值，试验骨架曲线整体处于有限元骨架曲线内侧，有限元骨架曲线的总体极限承载能力均略大于试验结果。产生此现象的原因可能是有限元模拟计算中未考虑到型钢与混凝土之间粘结的可靠程度不同，导致二者产生了相对滑移与型钢可能存在的焊接缺陷。

表1 是严格数值与有限元数值的对比数据，从表1 中可以进一步看出，试验数值与有限元数值在总体上误差均在8%以内，二者结果均显示出试验数值与有限元数值呈现出一定的一致性。二者误差中试验值的极限荷载较有限元模拟计算低4.8%，屈服荷载高于有限元模拟计算2.6%，极限位移高于有限元6.9%，屈服位移低于有限元0.9%，延性系数高于有限元7.2%。

表1 试验各数值与有限元数值对比

5 结论

本文以劲性混凝土框架结构节点为研究对象，借助ABAQUS 有限元模拟软件，依托已有的试验实测数据，对劲性混凝土柱框架结构节点的力学性能进行对比分析，并得出了如下结论。

①一倍屈服位移的第一次循环中，左侧的型钢上下翼缘处首先屈服，但随着应力的不断增加，应力在作用面上会逐渐向型钢两侧发散，并在接近翼缘处达到最大的屈服应力。

②在四倍屈服位移的加载循环过程中，钢的承载能力下降，变形加大，最终导致节点受到破坏，此破坏特征与实际试验过程中核心区域的破坏特征类似。

③虽然有限元骨架曲线的总体极限承载能力均略大于试验结果，但整体上有限元与试验骨架曲线吻合度与相关性较高，且在极限荷载、屈服荷载、极限位移、屈服位移、延性系数等关键数值中误差均保持在8%以内。