高轴压比CFST柱-组合梁单边螺栓节点抗震性能分析

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2024.12.014

摘要/Abstract

摘要：

对9个钢管混凝土（concrete‑filled steel tubular，CFST）柱-组合梁单边螺栓节点开展三维实体有限元精细化模型抗震性能分析，其中采用混凝土三轴塑性-损伤和钢材混合强化-韧性损伤模型，探讨了拉筋、轴压比、梁高、加劲肋对节点抗震性能与破坏形式的影响规律，结果表明钢材引入韧性损伤的有限元模型分析结果与试验结果更加吻合，且增加端板加劲肋和增大钢梁高度均能大幅提高节点刚度、承载力和耗能能力.探究不同钢梁尺寸和柱内拉筋强构造对钢管混凝土柱-组合梁单边螺栓节点承载力、刚度和塑性耗能分配与失效机制的影响规律.分析结果表明：拉筋大幅提升了柱端抗弯承载力和耗能能力，使得节点在轴压比为0.8时仍维持梁端失效模式；节点梁-柱抗弯承载力比介于1.57~2.04时将由梁耗能向柱耗能转变.因此对于栓连螺栓组合节点强柱弱梁的判定，建议梁-柱抗弯承载力比值由1.0提升至1.5.

关键词: 钢管混凝土柱, 拉筋, 螺栓连接, 有限元分析, 抗震性能

Abstract:

A three‑dimensional solid finite element model is used to analyze the seismic performance of 9 CFST（concrete‑filled steel tubular） column-composite beam single side bolt joints. The concrete triaxial plastic‑damage and steel mixed reinforcing‑toughness damage models are used to discuss the effects of tensile reinforcement， axial compression ratio， beam height and stiffener on the seismic performance and failure forms of the joints. The results show that the finite element model of steel with ductile damage is more consistent with the test results， and the increases of the end plate stiffener and the steel beam height can greatly improve the joint stiffness， bearing capacity and energy dissipation capacity. Then， the effects of different steel beam sizes and reinforcement structures on the bearing capacity， stiffness and plastic energy dissipation distribution and failure mechanism of concrete‑filled steel tubular column-composite beam unilateral bolted joints are investigated. The analysis results show that the tensile reinforcement greatly improves the flexural bearing capacity and energy dissipation capacity of the column end， making the joint maintain the failure mode of the beam end when the axial compression ratio is 0.8. When the joint beam‑column bending capacity ratio is between 1.57 and 2.04， the beam energy dissipation will change to column energy dissipation. Therefore， according to the definition of strong column and weak beam， it is suggested to raise the ratio of beam to column flexural bearing capacity from 1.0 to 1.5 for this kind of joint.

Key words: CFST column, tie bar, bolt connection, finite element analysis, seismic behavior

中图分类号:

TU 398.903

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图/表 13

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试件编码	方钢管规格	加劲肋	拉筋	n	主梁截面尺寸/mm	板内钢筋间距s/mm	楼板厚度/mm
J1-LS1	250×3	无	无	0.2	194×125×6×9	150	60
J1-LS2	250×3	有	无	0.2	194×125×6×9	150	60
J1-LS3	250×3	有	有	0.2	194×125×6×9	150	60
J1-LS4	250×3	有	有	0.2	250×125×6×9	150	60
J2-LS1	250×3	有	有	0.6	194×125×6×9	150	60
J2-LS2	250×3	无	有	0.6	194×125×6×9	150	60
J2-LS3	250×3	有	无	0.6	194×125×6×9	150	60
J3-LS1	250×3	有	有	0.8	194×125×6×9	150	60
J3-LS2	250×3	有	无	0.8	194×125×6×9	150	60

试件编码	方钢管规格	加劲肋	拉筋	n	主梁截面尺寸/mm	板内钢筋间距s/mm	楼板厚度/mm
J1-LS1	250×3	无	无	0.2	194×125×6×9	150	60
J1-LS2	250×3	有	无	0.2	194×125×6×9	150	60
J1-LS3	250×3	有	有	0.2	194×125×6×9	150	60
J1-LS4	250×3	有	有	0.2	250×125×6×9	150	60
J2-LS1	250×3	有	有	0.6	194×125×6×9	150	60
J2-LS2	250×3	无	有	0.6	194×125×6×9	150	60
J2-LS3	250×3	有	无	0.6	194×125×6×9	150	60
J3-LS1	250×3	有	有	0.8	194×125×6×9	150	60
J3-LS2	250×3	有	无	0.8	194×125×6×9	150	60

试件分组	t或d或D/mm	f_y/MPa	f_u/MPa	E_s/（N·mm^-2）	δ/%
钢管	3	305.68	410.47	2.08×10⁵	29.2
螺栓垫板	8	298.97	405.35	2.09×10⁵	30.9
柱内隔板	4	301.87	395.56	2.06×10⁵	28.7
主梁翼缘	9	296.96	446.63	2.05×10⁵	29.1
主梁腹板	6	297.87	428.51	2.03×10⁵	30.0
次梁翼缘	8	279.79	410.97	2.08×10⁵	27.5
次梁腹板	6	278.63	409.89	2.06×10⁵	25.0
端板	16	311.61	416.42	1.98×10⁵	29.8
加劲肋	8	294.82	399.87	1.98×10⁵	28.3
加强环板	9	304.56	429.84	2.02×10⁵	29.6
钢筋	10	406.54	537.62	2.04×10⁵	24.3

试件分组	t或d或D/mm	f_y/MPa	f_u/MPa	E_s/（N·mm^-2）	δ/%
钢管	3	305.68	410.47	2.08×10⁵	29.2
螺栓垫板	8	298.97	405.35	2.09×10⁵	30.9
柱内隔板	4	301.87	395.56	2.06×10⁵	28.7
主梁翼缘	9	296.96	446.63	2.05×10⁵	29.1
主梁腹板	6	297.87	428.51	2.03×10⁵	30.0
次梁翼缘	8	279.79	410.97	2.08×10⁵	27.5
次梁腹板	6	278.63	409.89	2.06×10⁵	25.0
端板	16	311.61	416.42	1.98×10⁵	29.8
加劲肋	8	294.82	399.87	1.98×10⁵	28.3
加强环板	9	304.56	429.84	2.02×10⁵	29.6
钢筋	10	406.54	537.62	2.04×10⁵	24.3

分组	试件编码	d/mm	钢梁高度/mm	加劲肋	拉筋高度h₁/mm	n	拉筋	ρ_sa/%	k_i	k_m	k_l
第 1 组	J1-LS1	—	194	无	—	0.2	无	—	1.63	0.65	1.30
	GLS1	—	194	有	—	0.2	无	—	1.88	0.79	1.50
	GLS2	8	194	有	200	0.2	有	0.57	1.84	0.73	1.47
	GLS3	10	194	有	200	0.2	有	0.90	1.67	0.70	1.33
	GLS4	12	194	有	200	0.2	有	1.29	1.57	0.65	1.25
	GLS5	—	250	无	—	0.2	无	—	2.09	0.87	1.67
	GLS6	8	250	无	200	0.2	有	0.57	2.05	0.81	1.64
	CLS7	10	250	无	200	0.2	有	0.90	1.85	0.77	1.48
	CLS8	12	250	无	200	0.2	有	1.29	1.74	0.72	1.39
第 2 组	J1-LS1	—	194	无	—	0.4	无	—	1.68	0.72	1.34
	GLS1	—	194	有	—	0.4	无	—	1.94	0.88	1.55
	GLS2	8	194	有	300	0.4	有	0.86	1.67	0.81	1.33
	GLS3	10	194	有	300	0.4	有	1.35	1.57	0.77	1.25
	GLS4	12	194	有	300	0.4	有	2.08	1.54	0.67	1.23
	GLS5	—	250	无	—	0.4	无	—	2.15	0.97	1.72
	GLS6	8	250	无	300	0.4	有	0.86	1.85	0.90	1.48
	CLS7	10	250	无	300	0.4	有	1.35	1.74	0.85	1.39
	CLS8	12	250	无	300	0.4	有	2.08	1.71	0.74	1.37