新型轻钢结构加层节点抗震性能试验研究及有限元分析

赵少伟，丁彦芳，郭 蓉，李润斌

（1.河北工业大学 土木工程学院，天津 300401；2.河北省土木工程技术研究中心，天津 300401）

加层结构具有有效提高单位土地面积住房的容积率[1]、缓解城市建筑用地紧张、增加房屋建筑面积、施工周期短以及减少拆迁和征地费用等优点，因此加层改造被大量用于城市旧楼的改造中，而目前加层结构的设计及施工无相关规范进行指导，加层结构的研究多处于可行性及模型分析上[2].1999年，王燕[3]等人采用振型分解反应谱法分析了高振型影响情况下结构的地震反应；2001年，崔艳秋等[4]系统地介绍了一些轻钢加层在实际工程中的适用性和合理性，研究了在设计加层结构过程中应该注意的一些问题以及可以使用的计算方法；2002年，朱丽华[5]阐述了轻钢结构加层中节点的相关处理问题，为轻钢结构加层设计以及节点处理的合理性提供了参考；骆甜[6]指出了多层钢混框架结构在加层之后，建筑物整体的刚度、质量、阻尼比等均不同程度上发生了改变；2006年，吴培成[7]等人分析了加层结构的阻尼分布规律.2012[8]年赵磊以中色东方集团有限公司原有的研发中心建筑为实例进行了钢筋混凝土框架结构加层的分析；2013年，褚云朋[9]等探讨了某钢框架加层房屋的动静力学性能；由于模拟分析是基于大量的假定基础上作出的，使用到实际结构中还存在着诸多不可确定的因素.因此，为满足研究轻钢结构加层节点抗震性能与设计方法的需要，在本试验中，设计了4个轻钢加层不同连接形式节点试件，所有构件均为在原有的混凝土顶层节点上通过化学植筋的方法加入工字钢形的钢柱.新加钢柱与原有混凝土节点的连接形式不同，其连接形式分别为：传统植筋节点、碳纤维强化节点、钢板加固节点[10]，通过拟静力试验研究得出，3种节点形式中钢板加固节点的抗震性能最优，故本文在钢板加固节点拟静力试验研究基础上，利用ANSYS有限元进行模拟分析，并且利用软件建立钢板碳纤维加固节点有限元模型，分析此种节点的破坏特征、承载能力、延性性能、耗能能力等抗震性能.

1 试验概况

1.1 试件设计

钢板加固节点照片如图1所示，试件尺寸及配筋如图2所示.

下部混凝土T形构件采用C30混凝土，梁柱主筋采用HRB400级钢筋，箍筋采用HRB235级钢筋，植筋采用HRB400级20钢筋.

1.2 加载装置及加载制度

试验采用梁端施加竖向低周反复加载方式，试件柱上下端为铰接形式，两端为自由端，加载示意图如图3所示.加载制度采用力-位移混合控制加载，如图4所示.

图1 钢板加固节点Fig.1 Node strengthened with steel plate

2 抗震试验性能分析

2.1 滞回曲线

图5为钢板加固节点在低周反复荷载作用下的滞回曲线，具有以下特征：1）从试件开裂至屈服期间，由于裂缝的开展，滞回环包围的面积逐渐增大；2）当节点屈服以后，加载由力控制变为位移控制，梁端钢筋屈服，塑性铰已经形成，随着位移的增大及循环次数的增加，试件裂缝逐渐增多且开展速度加快，滞回环包围的面积也逐渐增大，位移增长的速度逐渐高于加载速度，刚度出现退化；3）随着位移的增加，试件的滞回环面积迅速增大，表现出节点的耗能逐渐增大.但是同级位移下的循环加载中，后2次循环荷载较第1次低，试件出现强度退化现象.由于节点梁端裂缝的迅速开展，钢筋相对混凝土出现了滑移现象，滞回环出现捏缩现象，滞回曲线呈弓型；4）位移控制加载后期，节点梁端塑性铰进一步发展，各节点滞回环所包络的面积增大，表现出构件的耗能能力越来越强.

图2 试件尺寸与截面配筋（单位：mm）Fig.2 Dimensions of specimens sections and reinforcement（unit：mm）

2.2 骨架曲线

将低周反复荷载试验所得的每一个卸载点（同级位移取首次循环的卸载点）连接形成的曲线称为骨架曲线.结构的骨架曲线与相应单调加载的 -曲线相似，其是判断构件极限承载力大小以及延性优劣的重要指标.刚板加固节点的骨架曲线如图6所示.

3 有限元模拟分析

3.1 单元模型

图3 加载示意Fig.3 The test loading schematic

节点模型选用了 Solid65单元对混凝土进行模拟，Solid45单元对型钢柱中钢板进行了模拟，Link8单元对钢筋进行了模拟，Shell41单元对加固钢板进行了模拟.

图4 加载制度Fig.4 Regimen of test loading

图5 滞回曲线Fig.5 Hysteretic curve

图6 骨架曲线Fig.6 Skeleton curve

3.2 材料本构模型

图7为有限元模型中材料的本构模型.因为ANSYS对于混凝土本构关系曲线中下降段识别度低，且不利于分析过程的收敛本构关系（如图7a）所示）；钢筋选择了理想弹塑性模型（如图7b）所示）；加固钢板使用双线性随动强化模型（如图7c）所示）.

图7 材料本构模型Fig.7 Constitutive model of materials

3.3 模型的建立与求解设置

本文中所建ANSYS模型如图8所示.

图8 钢板加固节点ANSYS模型Fig.8 ANSYS Model of strengthened with steel plate

模型建立完成后，对模型混凝土梁底部的刚性垫块施加3个方向上的线约束来模拟模型底部的铰接，刚性垫块的厚度为20 mm.

对模型加载使用的是位移控制法，加载步骤为：第1步，在模型型钢柱顶部钢板上施加面荷载的大小和实际试验中施加的轴力相等；第2步，将型钢顶部钢板沿 轴方向的2个平面设置为铰接连接，保持和实际试验中一致；第3步，在模型混凝土柱下部刚性垫块上施加铰接连接；第4步，在梁两端的刚性垫块上耦合的点上施加延Y方向的反复荷载.

3.4 计算结果的后处理及与试验结果的对比

经过建模，加载，求解，得到如图9所示滞回曲线.

由图9可以看出：有限元分析和试验所得钢板加固节点滞回曲线形状较为相似，总体看来，有限元模型滞回曲线与试验值吻合较好.

图9 钢板加固节点滞回曲线Fig.9 The hysteretic curve of the node strengthened with steel plate

4 钢板碳纤维加固节点的有限元分析

通过上述试验结果与ANSYS理论分析结果的对比，不难看出，用ANSYS模拟轻钢结构加层节点的抗震性能是可行的.因此本文提出利用ANSYS分析一种新型的节点形式——钢板碳纤维加固节点模型，通过该模型在低周反复荷载作用下的抗震性能进行非线性有限元全过程分析，分析钢板碳纤维加固节点的抗震性能.

4.1 模型的建立

模型建立时选用的单元与钢板加固节点相同，只是增加了Plane42单元，其中Shell41单元用于加固钢板以及加固碳纤维布的建立；Plane42单元用于在实体单元建立时过渡单元的建立.

对于新出现的加固碳纤维单元实常数中厚度选项设为0.334.本文选用的是高强Ⅰ级加固碳纤维布，厚度为0.167mm，在给构件进行加固的过程中，用碳纤维布对构件进行两次缠绕加固，故其实际厚度为0.167×2=0.334（mm）.

ANSYS所建钢板碳纤维加固节点模型如图10所示.

图10 钢板碳纤维加固节点ANSYS模型Fig.10 The model of ANSYS strengthened with steel plate and carbon fiber

4.2 钢板碳纤维加固节点模型的受力分析

钢板碳纤维加固节点加载方式同钢板加固节点.经过低周反复荷载试验模拟后，得到的钢板加固节点模型和钢板碳纤维加固节点模型如图11所示.

4.2.1 滞回曲线的比较

图11 节点模型Fig.11 The model of points

通过对上述2个模型进行分析得出滞回曲线如图12所示，对其进行比较，可以看到这2个模型所得到的滞回曲线均为Z形滞回曲线.也就是这2个模型的耗能能力都不是很强.从图中可以明显地看出，钢板碳纤维加固节点模型滞回曲线所包围的面积要大于钢板加固节点模型所对应的滞回曲线所包围的面积.通过表1可以得出结论：钢板碳纤维加固节点模型在低周反复荷载作用下耗能能力要强于钢板加固节点模型.

表1 等效粘滞阻尼系数对比Tab.1 The comparison of equivalent viscous damping coefficient

图12 滞回曲线Fig.12 The hysteretic curve

4.2.2 骨架曲线的比较

经过低周反复加载试验后，2模型所得到的骨架曲线如图13.

由图13可看到钢板加固节点模型和钢板碳纤维加固节点模型经过相同的低周反复荷载试验后所得到的骨架曲线较为相似.通过图13和表2可以看出：钢板碳纤维加固相对于钢板加固对于屈服位移和屈服荷载以及极限位移和极限荷载有提高，但是提高程度并不显著.

表2 位移和荷载对比Tab.2 The comparison of displacement and load

图13 骨架曲线对比Fig.13 The comparison of skeleton curves

4.2.3 延性系数的比较

节点或者构件中某截面从屈服开始，达到最大承载力或者达到后承载力没有产生明显下降这一期间内所具备的变形能力，就是延性.延性系数可以用来反映构件所具有的延性能力，表3为延性系数的对比.

通过对表3的分析可以得知，相对于钢板加固节点，钢板碳纤维加固节点延性系数提高了7.9%，说明钢板碳纤维对节点进行加固可以提升节点的延性.

5 结论

1）通过对比钢板加固节点有限元分析和试验分析时所得的滞回曲线表明：ANSYS分析结果与试验结果基本吻合，说明所建有限元模型真实有效，基本能够反映出实际构件的受力性能.

表3 延性系数对比Tab.3 The comparison of ductility coefficient

2）钢板加固节点和钢板碳纤维加固节点的有限元分析结果对比表明：在低周反复荷载作用下，2个节点的滞回曲线均呈现弓形，说明其抗震性能较差.

3）等效粘滞阻尼系数对比可以看出：钢板碳纤维加固节点的耗能能力相对于钢板加固节点提高幅度大于7%.

4）骨架曲线比较分析可以看出：在低周反复荷载作用下，相对于钢板加固节点，钢板碳纤维加固节点屈服位移和屈服承载力以及极限位移和极限承载力的提高作用不是很明显.

5）相对于钢板加固节点，钢板碳纤维加固节点的延性系数提高了7.9%，说明碳纤维布进行加固可以提高节点的延性性能.

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