采用外部隔板连接的高强度方形CFST柱与复合梁结构的抗震性能研究

《Journal of Building Engineering》：Seismic performance of high-strength square CFST column to composite beam joint using external diaphragm

方形高强钢管混凝土柱与组合梁外隔板连接节点的抗震性能研究通过实验和数值分析，揭示了材料强度和轴压比对节点性能的影响规律，提出并验证了适用于此类节点的滞回模型，建立了剪切刚度计算方法。

　　

李伟|关浩

清华大学土木工程系，中国北京100084

摘要

方形混凝土填充钢管（CFST）结构因其在承载能力和施工便利性方面的优势，在结构工程中得到了越来越多的应用。然而，CFST柱与梁接头的力学行为尚未得到充分研究，尤其是使用高强度材料的情况。本研究通过实验和数值分析，探讨了由高强度方形CFST柱和带有外部隔板的复合梁组成的接头的抗震性能。钢管的屈服强度高达768.2 MPa，核心混凝土的立方体抗压强度为78.5 MPa。主要实验参数包括钢管的屈服强度、CFST柱的轴荷载比以及梁的高度。建立了一个考虑材料非线性、损伤行为、约束效应和构件相互作用的有限元模型，并通过试验结果进行了验证。随后进行了参数研究，以评估关键参数的影响。最后，提出了一个用于描述面板区剪切-剪切变形关系的滞后模型。结果表明，将钢管的屈服强度从592.2 MPa提高到768.2 MPa后，面板区的平均最大剪切力增加了5.4%。四个接头试样的平均位移延性系数达到2.79。计算得到的剪切阻力与有限元预测值的平均比值为0.993，变异系数为0.053。

引言

方形混凝土填充钢管（CFST）柱由于其出色的承载能力、空间适应性、施工效率和美观性，在高层建筑和大跨度结构中得到了广泛应用[1]。在实际的结构系统中，这些柱通常与钢-混凝土复合梁连接，形成一个整体结构系统。

大量研究致力于探讨方形CFST柱与钢梁接头的行为。许多研究探讨了各种连接方式，以了解其结构性能。研究的接头类型包括焊接法兰板连接[2]、螺栓连接[2]、腹板连接[3]、铸钢加劲隔板[4]、焊接套管[5]、扩展内部隔板[6]、内部隔板连接[7][8][9][10][11][12]、扩展顶板螺栓连接[3][17][18]、内部隔板[13][20][21][22][23][24]、带加劲板的外部隔板[25][26][27][28][29][30][31][32][33][34][35][36][37][38]、弱化面板区连接[36][37][38]、U形连接[39]等。一些试验还考虑了钢筋混凝土（RC）板的影响。表1总结了方形CFST柱与钢梁接头的实验研究。在该表中，f_{cu,core、fc’,core 和 fck,core 分别表示核心混凝土的立方体抗压强度、圆柱体抗压强度和棱柱体抗压强度；fy 表示用于柱中的钢管的屈服强度；B 和 t 分别表示钢管的宽度和厚度。在这些连接方式中，试验结果表明，外部隔板表现出更好的性能，具有较高的剪切阻力、延性和能量耗散能力。此外，外部焊接的环形隔板还减轻了应力集中，从而确保了荷载从梁可靠地传递到柱上。}

然而，使用高强度材料的方形CFST柱与梁接头的研究仍然相对有限。高强度钢通常定义为屈服强度（f_{y）不低于460 MPa的钢材[40]，高强度混凝土的等级为C50或更高[41]。Nie等人[22]研究了三种内部隔板接头和两种通过隔板接头的抗震性能，同时考虑了混凝土板的复合效应。他们的研究中，柱子由高强度钢（屈服强度fy=526 MPa）和普通强度混凝土（核心立方体抗压强度fcu,core = 57.6 MPa）制成。Vulcu等人[30][31]研究了16种外部隔板接头的抗震行为，采用了高强度钢（fy = 806.9 MPa），并评估了四种不同类型的外部隔板配置。Guan等人[34]研究了使用高强度再生混凝土（fcu,core=63.2 MPa）的外部隔板接头的力学行为。这些研究的结果表明，这些接头的性能显著优于传统接头。}

然而，这些研究通常只使用了高强度钢或高强度混凝土中的一种，而没有同时使用两者。如图1所示，大多数关于此类复合接头抗震性能的先前研究都使用了普通强度的钢材和混凝土。此外，一些关键问题尚未得到解决，例如使用高强度材料时的复合效应、失效机制的潜在变化、轴荷载比的作用以及面板区的剪切设计方法的缺乏。因此，需要进一步深入研究同时结合高强度钢和高强度混凝土的接头性能。

先前已有研究详细探讨了高强度圆形CFST柱与梁接头的抗震性能[42]。本研究通过明确高强度方形CFST柱与梁接头的结构性能，并建立一种计算循环荷载下面板区剪切阻力的方法，填补了这一知识空白。对由高强度方形CFST柱、复合梁和外部隔板组成的接头进行了实验和理论分析。特别关注了高强度材料的影响以及接头系统内的复合效应。建立了一个有限元（FE）模型，并考虑了关键因素，如高强度材料的非线性和损伤演化、钢管提供的约束效应以及不同结构构件之间的相互作用。此外，还建立了一个滞后模型来描述面板区的剪切-剪切变形关系，并通过实验数据和数值模拟结果进行了验证。

节选内容

试样和材料

设计了四种使用高强度钢和高强度混凝土的内部接头试样，并在循环荷载下进行了测试。测试参数包括柱的轴荷载比（n）、钢梁的高度以及钢管的屈服强度。

试样配置如图2所示。试样的尺寸受到测试装置承载能力的限制。主要构件是具有均匀截面的方形钢管（□-159 mm×159

有限元建模

有限元（FE）模型示意图如图17所示。施加了以下边界条件：沿顶部基座中心线的x、y方向位移和x、z轴旋转受到限制。在底部基座，除了y轴旋转外，所有自由度均被固定。柱的两端分别通过铰链支撑连接在顶部和底部。采用了两阶段加载方案：首先施加一个恒定的轴荷载（N₀

剪切刚度

在初始加载阶段，钢管的变形与核心混凝土的变形是一致的。在这个V_j-γ_{j模型中，接头的弹性刚度（Kel）可以表示为钢管（Kel,s）和核心混凝土（Kel,c）剪切刚度的叠加：$$}

钢管的剪切刚度（K_el,s）可表示为：$$其中A_vy,p是钢管屈服时的剪切面积，对于方形CFST截面，A_vy,p=A_s,p/2 [55]，A_s,p是截面的面积

结论

在本研究定义的参数范围内，得出以下主要结论：

(1)

所有试样的行为都相对具有延性。所有试样的面板区都发生了严重变形。当钢管的屈服强度从592.2 MPa提高到768.2 MPa时，面板区的平均最大剪切力增加了5.4%，同时能量耗散能力也有所提高。

CRediT作者贡献声明

李伟：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、验证、监督、项目管理、方法论、研究、资金获取、正式分析、数据管理、概念构思。关浩：撰写——初稿、可视化、软件开发、研究、正式分析、数据管理

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的报告。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（资助编号：52278506）的财政支持。