鋼骨－鋼管混凝土柱與鋼梁節(jié)點力學(xué)性能分析

鄒 波，孫鵬舉，徐亞豐

(1．遼寧石油化工大學(xué)，遼寧撫順113001;2．沈陽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧沈陽110168)

近期，許多專家對鋼管混凝土核心柱深入研究的成果表明:鋼管混凝土組合柱的核心鋼管混凝土與外側(cè)鋼筋混凝土不一定能夠協(xié)同工作直至破壞。針對這種結(jié)構(gòu)形式的不足，徐亞豐教授提出了“鋼骨－鋼管混凝土柱”并獲得國家專利。在這種新型結(jié)構(gòu)形式中，鋼骨和鋼管分別對混凝土提供約束作用，在合理設(shè)計后可使鋼管內(nèi)外混凝土同時達(dá)到極限承載力，從而提高了其承載力和抗震性能［1］。

本文在繼承了這種新型結(jié)構(gòu)形式優(yōu)點的基礎(chǔ)之上，提出了一種新型的鋼骨－鋼管混凝土柱與鋼梁節(jié)點形式，即在鋼管與鋼梁連接部位采用環(huán)梁連接，鋼梁的腹板和環(huán)板同時與鋼管焊接，鋼管外部澆筑鋼筋混凝土，在混凝土外部用角鋼與綴板加固。這種節(jié)點形式具有構(gòu)造簡單、傳力明確的優(yōu)點。

綜上所述，筆者在前人總結(jié)的本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，利用大型通用有限元分析軟件ABAQUS對鋼骨－鋼管混凝土柱與鋼梁節(jié)點進(jìn)行靜力性能的有限元分析。

1 非線性有限元分析模型的建立

1.1 節(jié)點的簡化計算模型

在框架節(jié)點模擬實驗中，一般近似取框架梁、柱反彎點與框架節(jié)點間距離作為試件的梁、柱長度，本實驗為節(jié)省計算機(jī)資源，近似按照實體試件的1/2進(jìn)行建模。

1.2 模型的設(shè)計尺寸

本文采用加強(qiáng)環(huán)板式節(jié)點［2］，即將工字鋼梁上、下翼緣與環(huán)板焊接，環(huán)板和梁腹板同時與鋼管外壁焊接。鋼管與角鋼均采用Q345級鋼，鋼管直徑133mm，壁厚5mm;工字鋼采用三塊鋼板焊接，腹板尺寸為－10×270，翼緣尺寸為－15×100;角鋼采用 50×4;綴板尺寸為－4×200，以間距115mm沿縱向均勻布置;鋼筋均采用HPB235，其中縱筋為4φ10，箍筋采用φ8雙肢箍，間距100mm(圖1、圖2)。

圖1 節(jié)點幾何模型

圖2 節(jié)點有限元模型

1.3 試件的主要參數(shù)及力學(xué)指標(biāo)

本實驗主要研究不同軸壓比作用下鋼骨－鋼管混凝土柱的力學(xué)性能，具體試件分組如表1、表2所示。

表1 試件主要參數(shù)表

表2 鋼材力學(xué)指標(biāo)(MPa)

1.4 材料的本構(gòu)關(guān)系

1.4.1 鋼材的本構(gòu)模型

在有限元分析中，經(jīng)過簡化，將鋼材的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系分為四段，其表達(dá)式為:

當(dāng) ε≤εe1時，σ=Esε

當(dāng) εe1＜ε≤εe2時，σ=fy

當(dāng) εe2＜ε≤εe3時，σ=fy+Es/［150(ε－εe2)］

當(dāng) ε≥εe3時，σ=fu

式中:Es為鋼材的彈性模量;fu和fy分別為鋼材的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度，fu=1.6 fy;εe1，εe2，εe3為彈性極限應(yīng)變、屈服應(yīng)變和強(qiáng)化應(yīng)變，εe2=10εe1，εe3=100εe1。

1.4.2 鋼筋的本構(gòu)模型

鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系采用雙直線模型，數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:

當(dāng) ε≤εs時，σs=Esεs

當(dāng) ε＞εs時，σs=fy

1.4.3 鋼管內(nèi)部混凝土的本構(gòu)模型

圓鋼管內(nèi)混凝土本構(gòu)模型采用韓林海教授研究的本構(gòu)模型［4］進(jìn)行計算，鋼管外混凝土的本構(gòu)關(guān)系有多種形式。鋼管混凝土核心柱外圍混凝土的本構(gòu)關(guān)系采用美國E．Hognestad建議的模型;對于只有外包角鋼加固的混凝土本構(gòu)關(guān)系，本文采用的是考慮角鋼框架套箍效應(yīng)而對混凝土強(qiáng)度進(jìn)行修正的模型［5］。

1.5 單元類型的選擇

鋼管、鋼梁、角鋼、綴板、核心混凝土和外圍混凝土均采用8節(jié)點線性減縮積分格式的三維實體單元(C3D8R)，通過加密網(wǎng)格來降低體積鎖閉影響［4］。鋼筋采用2節(jié)點線性減縮積分式三維桁架單元(T3D2)。

1.6 荷載步設(shè)置

在第一個分析步中對柱頂端施加軸向力，在第二個分析步中保持柱頂端的軸向力大小不變，對左右梁端分別施加反向的荷載，并用位移控制。

1.7 單元劃分

本文采用的劃分方法是六面體為主的網(wǎng)格劃分，其對計算的精確性較好。在反復(fù)的試驗之后，筆者在節(jié)點區(qū)域內(nèi)采用較為密實的網(wǎng)格劃分，這樣可以集中計算機(jī)資源對重點研究區(qū)域進(jìn)行精確計算。

1.8 不同材料界面的處理

模型中的各部件采用“綁定”的方式接觸，這樣各接觸面上只有力的傳遞，而沒有相對的位移。對于鋼筋則采用“嵌入”的方式置入到混凝土的內(nèi)部，從而使各個部件共同工作。

2 分析結(jié)果

2.1 各構(gòu)件變形后的應(yīng)力云圖

根據(jù)上述分析，建立了各種構(gòu)件的模型。以SJ－14節(jié)點試件為例進(jìn)行說明。構(gòu)件的變形圖、應(yīng)力云圖如圖3、圖4所示。

圖3 節(jié)點應(yīng)力云圖

圖4 鋼管與鋼梁應(yīng)力云圖

試件節(jié)點區(qū)域鋼管與鋼梁都發(fā)生了明顯的屈服現(xiàn)象。其中，在鋼梁根部的工字鋼翼緣已經(jīng)發(fā)生平面外的屈曲破壞，可以判斷塑性鉸位置出現(xiàn)在鋼梁的根部。此時梁端已經(jīng)達(dá)到極限承載力，如果繼續(xù)加載，鋼梁將失去承載效果，梁端位移將迅速增大。柱的上下兩端鉸接，中間節(jié)點部位隨梁發(fā)生扭轉(zhuǎn)，柱整體有向“S”形變形的趨勢。在柱的受壓一側(cè)，角鋼和內(nèi)部的受壓縱筋已經(jīng)受壓屈服，角鋼與混凝土表面發(fā)生剝離，而受拉側(cè)的角鋼與受拉縱筋均未屈服。綴板與箍筋均承受拉應(yīng)力，在角鋼與縱筋均收壓的一側(cè)，綴板與箍筋的拉應(yīng)力最大。鋼管內(nèi)混凝土受到鋼管的約束處于三向受壓狀態(tài)，在節(jié)點區(qū)域內(nèi)部已經(jīng)受壓屈服。鋼管外部混凝土受力狀態(tài)與外部角鋼相似，在受壓一側(cè)已經(jīng)屈服破壞，應(yīng)力最大的部位出現(xiàn)在梁根部。

2.2 軸壓比的影響

通過改變柱頂部的軸向壓力，分別取軸壓比為0.5～0.9進(jìn)行分析，荷載及位移關(guān)系如圖5所示。

圖5 不同軸壓比作用下梁端荷載－位移曲線

由圖5可知，隨著軸壓比的增大，框架節(jié)點的豎向剛度有所降低，極限承載力也隨之下降。當(dāng)軸壓比大于0.8后，節(jié)點下部柱在過大的軸力作用下迅速屈服，豎向剛度下降明顯，雖然鋼梁并未達(dá)到極限承載力，但是柱頂端的豎向位移過大，而使得結(jié)構(gòu)不能再繼續(xù)承擔(dān)荷載。因此，建議在設(shè)計時鋼管－鋼骨混凝土柱與鋼梁節(jié)點軸壓比不宜超過0.8。

3 結(jié)束語

通過大型有限元軟件ABAQUS的模擬分析，通過模擬實驗的破壞特征，可以得出如下結(jié)論。

(1)試件的承載力和豎向剛度隨著軸壓比的增大而逐漸降低，當(dāng)軸壓比大于0.8時，試件的豎向剛度和節(jié)點區(qū)塑性轉(zhuǎn)動能力下降明顯，梁端位移隨荷載增加而變化的趨勢過快，因此，建議在設(shè)計時鋼管－鋼骨混凝土柱與鋼梁節(jié)點軸壓比不宜超過0.8。

(2)隨著軸壓比的增加，節(jié)點核心區(qū)內(nèi)部結(jié)構(gòu)在軸力作用下的初始應(yīng)力逐漸增加。當(dāng)軸壓比小于0.5時，節(jié)點核心區(qū)結(jié)構(gòu)始終處于彈性變形階段。當(dāng)軸壓比大于0.8時，節(jié)點核心區(qū)內(nèi)部鋼管在軸壓力作用下的應(yīng)變值已經(jīng)接近屈服應(yīng)變，在梁端稍加荷載后，節(jié)點核心區(qū)立即屈服，進(jìn)入塑性變形階段。因此，軸壓比越高，鋼骨－鋼管混凝土柱與鋼梁節(jié)點塑性承載力越低。

［1］ 徐亞豐，賈連光．鋼骨－鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)［M］．北京:科學(xué)出版社，2009

［2］ CECS 188:2005鋼管混凝土疊合柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］

［3］ 徐亞豐，宋寶峰，李剛，等．十字形鋼骨混凝土異形柱軸心受壓承載力的試驗研究［J］．沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2007，23(6):910－914

［4］ 韓林海，陶忠，王文達(dá)．現(xiàn)代組合結(jié)構(gòu)和混合結(jié)構(gòu)—試驗、理論和方法［M］．北京:科學(xué)出版社，2009

［5］ 陳先明，彭衛(wèi)．外包角鋼加固柱受載全過程分析［J］．橋梁建設(shè)，1999(3):11－13