鋼管混凝土隔板貫通式節(jié)點(diǎn)的性能

李 波，楊慶山，馮少華，陳一歐，衛(wèi) 東

（1.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044；2.北京市建筑設(shè)計(jì)研究院，北京 100045）

鋼管混凝土柱的出現(xiàn)，解決了超高層建筑中混凝土柱的“胖柱問題”問題、高強(qiáng)混凝土柱的脆性破壞問題以及鋼柱易出現(xiàn)的局部屈曲問題，因而被廣泛應(yīng)用于各類超高層建筑之中[1]。然而，由于鋼管中需要澆注混凝土，這使得鋼管混凝土柱與鋼梁的連接節(jié)點(diǎn)較普通鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)更為復(fù)雜，受力合理而又構(gòu)造簡單的連接形式一直是關(guān)于鋼管混凝土柱研究的重點(diǎn)[2－5]。

隔板貫通式節(jié)點(diǎn)（圖1）是一種新型鋼管混凝土柱 鋼梁連接形式，其主要特點(diǎn)是鋼管混凝土柱鋼管在隔板處斷開，并且隔板在鋼管管壁內(nèi)伸、外挑距離較小。這樣極大簡化了施工，并且不影響建筑功能，近年來得到了廣泛應(yīng)用。國家標(biāo)準(zhǔn)圖集《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)造》（06SG524）雖給出了隔板貫通式節(jié)點(diǎn)的基本形式，但由于缺乏相關(guān)系統(tǒng)研究，并未給出節(jié)點(diǎn)構(gòu)造細(xì)節(jié)。另一方面，通過合理的構(gòu)造，減小鋼管和隔板連接處的應(yīng)力集中，使節(jié)點(diǎn)破壞先出現(xiàn)在梁上，形成“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的延性機(jī)制一直以來是設(shè)計(jì)過程中的難點(diǎn)。針對(duì)上述情況，一些學(xué)者采用試驗(yàn)和數(shù)值的方法對(duì)隔板貫通式節(jié)點(diǎn)的性能進(jìn)行了研究[6－8]，旨在驗(yàn)證該種節(jié)點(diǎn)具有較好的性能。

中海廣場(chǎng)是位于北京CBD地區(qū)的一棟地標(biāo)性超高層建筑，結(jié)構(gòu)整體采用框架 核心筒結(jié)構(gòu)體系。其中，外框架采用的是由鋼管混凝土柱與鋼梁組成的框架結(jié)構(gòu)。為了滿足建筑與便于施工的要求，框架部分采用了隔板貫通式節(jié)點(diǎn)。將以中海廣場(chǎng)為工程背景，進(jìn)行鋼管混凝土柱與鋼梁隔板貫通式節(jié)點(diǎn)擬靜力試驗(yàn)，得到該種節(jié)點(diǎn)的主要性能指標(biāo)；并在此基礎(chǔ)上建立數(shù)值分析模型，重點(diǎn)考察不同參數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)性能的影響，提煉該類節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)建議。

圖1 隔板貫通式節(jié)點(diǎn)

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)裝置[9－11]

試驗(yàn)以中海廣場(chǎng)鋼管混凝土柱 鋼梁框架的典型連接節(jié)點(diǎn)及其受力狀態(tài)為背景，選取了該項(xiàng)工程最為常用的鋼管混凝土柱—單鋼梁連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行研究。受試驗(yàn)室場(chǎng)地約束，試件按原型1／2比例縮尺。鋼管混凝土柱的鋼管截面為PIPE457×18，混凝土強(qiáng)度為C60，柱高1500mm。鋼梁截面為H275×115×10×20，梁長2000mm。隔板厚度為20mm，內(nèi)徑291mm（內(nèi)伸65mm），外徑517mm（外挑30mm）。鋼材材質(zhì)均為Q345B，試件所有連接焊縫均通過超聲波探傷檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。

試驗(yàn)試件采用垂直柱、水平梁的放置方式，如圖2所示。試驗(yàn)中，先在鋼管混凝土柱柱頂通過液壓作動(dòng)器分級(jí)施加120t軸力；然后在距梁端300mm處（該處梁上設(shè)置有加勁肋），通過 MTS電液伺服作動(dòng)器分級(jí)施加往復(fù)荷載，直至試件破壞。按《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》（JGJ 101－96）的要求，鋼梁屈服前，梁端采用荷載控制分級(jí)加載，每級(jí)載荷30kN，每級(jí)循環(huán)2周；鋼梁屈服后，按梁端位移控制分級(jí)加載，每級(jí)載荷為試件屈服時(shí)的最大位移，每級(jí)循環(huán)2周。

圖2 試驗(yàn)裝置

在鋼梁和隔板布置應(yīng)變片和應(yīng)變花如圖3，用以監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過程中關(guān)鍵部位的應(yīng)力變化。

圖3 典型應(yīng)變片布置

1.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在加載過程中，首先，在鋼梁翼緣對(duì)接焊縫處出現(xiàn)裂縫（圖4（a））；隨后，鋼梁與隔板連接處的梁腹板以及梁翼緣處出現(xiàn)鐵屑脫落，發(fā)生局部失穩(wěn)（圖4（b）），而鋼梁對(duì)接焊縫處的裂縫不再擴(kuò)展；繼續(xù)加載，鋼梁處的局部變形緩慢增大；整個(gè)試驗(yàn)過程，試件未發(fā)生明顯斷裂。

圖4 試驗(yàn)試件破壞形式

圖5 試驗(yàn)試件滯洄曲線

滯洄曲線是結(jié)構(gòu)抗震性能的綜合體現(xiàn)，通過滯洄曲線還可以確定結(jié)構(gòu)的主要性能參數(shù)。圖5給出了本次試驗(yàn)的滯洄曲線，由滯洄曲線可以得到試件的屈服荷載為126.9kN，屈服位移為25.51mm，極限承載力為192kN，極限位移為82.91mm，據(jù)此可以得到節(jié)點(diǎn)的位移延性系數(shù)為3.25。

通過試驗(yàn)可以看出，鋼管混凝土柱 鋼梁隔板貫通式節(jié)點(diǎn)承載能力較強(qiáng)，以至距節(jié)點(diǎn)區(qū)較遠(yuǎn)的鋼梁對(duì)接焊縫出現(xiàn)裂縫；鋼梁與隔板連接處鋼梁屈服后，試驗(yàn)試件主要通過該處塑性變形耗能，鋼梁對(duì)接焊縫處裂縫不再擴(kuò)展。試件滯洄曲線飽滿，該種節(jié)點(diǎn)具有良好的耗能性能。綜上所述，中海廣場(chǎng)鋼管混凝土柱 鋼梁隔板貫通式節(jié)點(diǎn)的剛度、強(qiáng)度、延性均能滿足設(shè)計(jì)要求。

2 數(shù)值分析模型

建立鋼管混凝土柱 鋼梁隔板貫通式節(jié)點(diǎn)的數(shù)值分析模型，然后通過與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證數(shù)值模型的有效性。

2.1 數(shù)值模型的建立[12－14]

數(shù)值分析采用ANSYS軟件進(jìn)行。鋼管中混凝土選用Solid65單元模擬，考慮到鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中混凝土材料在實(shí)際結(jié)構(gòu)中的受力狀態(tài)，采用三向受力狀態(tài)下的本構(gòu)關(guān)系。鋼管、鋼梁、加勁肋、隔板采用shell181單元模擬。鋼材采用理想彈塑性模型，彈性模量為2.06×105N／mm2，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為353.6MPa，滿足Von-Mises屈服準(zhǔn)則。為了提高計(jì)算效率，對(duì)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的網(wǎng)格進(jìn)行加密（圖6）。

圖6 數(shù)值模型

在鋼管混凝土柱柱底截面施加3個(gè)方向平動(dòng)和3個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度約束；在柱頂截面，除允許其發(fā)生豎向位移外，約束其他方向位移和轉(zhuǎn)角。試件的加載與試驗(yàn)保持一致，并采用牛頓一拉普森方法進(jìn)行迭代求解。分析中考慮了初始缺陷、大變形等非線性因素的影響。

2.2 數(shù)值模型的有效性

圖7給出了試驗(yàn)試件與數(shù)值模型梁端加載點(diǎn)荷載 位移滯洄曲線及骨架線對(duì)比圖?？梢钥闯?，試件屈服前，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好；試件屈服后，由于數(shù)值模型中采用了是基于試件材性試驗(yàn)的理想彈塑性模型，以及ANSYS分析軟件對(duì)材料本構(gòu)關(guān)系下降段模擬的不足[15]，導(dǎo)致兩者之間存在一定差別。但是，試件的屈服狀態(tài)是研究的重點(diǎn)，因此，可以認(rèn)為采用的數(shù)值模型能夠較好的模擬鋼管混凝土柱 鋼梁貫通式節(jié)點(diǎn)的整體性能。

圖7 荷載-位移曲線

圖8給出了不同加載階段，隔板典型測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力分布?？梢钥闯?，數(shù)值分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果基本一致，這說明，可以采用本文所建立的數(shù)值模擬來研究鋼管混凝土柱 鋼梁貫通式節(jié)點(diǎn)隔板的力學(xué)行為。另一方面，隔板上的應(yīng)力分布很不均勻，隨著離鋼梁距離的增加，隔板上應(yīng)力快速衰減。由于布置的測(cè)點(diǎn)數(shù)量有限，無法得到節(jié)點(diǎn)區(qū)應(yīng)力分布。

圖8 隔板應(yīng)力分布

3 節(jié)點(diǎn)性能研究

采用上節(jié)建立的數(shù)值模型研究不同因素對(duì)鋼管混凝土柱 鋼梁隔板貫通式節(jié)點(diǎn)性能的影響。

3.1 研究參數(shù)

在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選定了3種典型鋼管，3種典型鋼梁作為對(duì)象，系統(tǒng)研究了不同隔板尺寸、梁截面對(duì)節(jié)點(diǎn)性能的影響（表1），其中，隔板厚度與鋼梁翼緣相同。

表1 參數(shù)列表

3.2 隔板尺寸對(duì)節(jié)點(diǎn)性能影響

圖9 荷載-位移曲線

圖9給出了鋼管截面為P457×10、鋼梁截面為H400×200×8×12、隔板外挑寬度a＝h／10時(shí)，隔板內(nèi)伸寬度b分別取0.5a、1.0a、1.5a、2.0a4種情況下的荷載—位移曲線。由圖可以看出，增加隔板內(nèi)伸寬度可以小幅提高節(jié)點(diǎn)的剛度、屈服荷載。節(jié)點(diǎn)屈服后，隔板內(nèi)伸寬度對(duì)節(jié)點(diǎn)整體性能影響較小。

圖10給出了上述4種工況，加載位移為60mm時(shí)，隔板Von-Mises折算應(yīng)力分布。可以看出，當(dāng)隔板內(nèi)伸寬度b＝0.5a時(shí)，鋼管內(nèi)隔板的應(yīng)力激增，隔板與鋼管連接處出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，梁下側(cè)（受壓區(qū)）與隔板連接處屈曲；當(dāng)隔板內(nèi)伸寬度b＝1.0a、1.5a時(shí)，隔板應(yīng)力沿與梁軸線45°方向擴(kuò)散，距隔板一定距離的梁全截面屈服，形成塑性鉸；當(dāng)隔板內(nèi)伸寬度b＝2.0a時(shí)，鋼管內(nèi)隔板應(yīng)力水平較低，利用率不高，梁上塑性鉸位置大致不變。這說明，當(dāng)隔板外挑寬度一定時(shí)，改變隔板內(nèi)伸寬度會(huì)影響節(jié)點(diǎn)的屈服荷載和破壞形式。

圖10 應(yīng)力分布

圖11給出了鋼管截面為P457×10、鋼梁截面為H400×200×8×12、隔板外挑寬度a＝h／12、h／10、h／8、h／6（隔板內(nèi)伸寬度b＝1.0a）時(shí)，4種情況下的荷載 位移曲線。由圖可以看出，增加隔板的外挑寬度也可小幅提高節(jié)點(diǎn)剛度、屈服荷載，但提高程度較增加隔板內(nèi)伸寬度小。節(jié)點(diǎn)屈服后，隔板外挑寬度對(duì)節(jié)點(diǎn)整體性能影響較小。

圖11 荷載-位移曲線

圖12給出了上述4種工況，加載位移為60mm時(shí)，隔板Von-Mises折算應(yīng)力分布?？梢钥闯?，隔板上應(yīng)力分布基本相同，隨著隔板外挑寬度的增加，隔板應(yīng)力與梁軸線的夾角逐漸減?。怀舭逋馓魧挾萢＝h／12外，距隔板一定距離的梁全截面均屈服，形成塑性鉸；隔板外挑寬度a＝h／12時(shí)，鋼管內(nèi)隔板的應(yīng)力激增，隔板與鋼管連接處出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中。這說明，當(dāng)隔板內(nèi)伸寬度與外挑寬度相同時(shí)，改變外挑寬度對(duì)節(jié)點(diǎn)性能影響不大，但隔板外挑寬度不宜過小。

通過參數(shù)分析可以得出，鋼管混凝土柱 鋼梁隔板貫通式節(jié)點(diǎn)的隔板外挑寬度宜大于h／10，用以緩解鋼管與隔板連接處的應(yīng)力集中，防止連接焊縫出現(xiàn)脆性斷裂。隔板的內(nèi)伸寬度不宜小于外挑寬度，用以保證隔板的剛度及應(yīng)力傳遞。

圖12 應(yīng)力分布

3.3 鋼梁截面對(duì)節(jié)點(diǎn)性能的影響

圖13給出了鋼管截面為P457×10、鋼梁截面為H275×115×8×12、H400×200×8×12、H400×200×10×16、H500×200×10×163種工況（隔板外挑寬度a＝h／10，隔板內(nèi)伸寬度b＝0.5a），試件屈服后隔板的Von-Mises折算應(yīng)力分布圖。

圖13 應(yīng)力分布

由圖13可以看出，4種情況均在距隔板一定距離的梁上出現(xiàn)塑性鉸；但節(jié)點(diǎn)區(qū)應(yīng)力分布有一定差別。當(dāng)梁截面為H400×200×8×12、H500×200×10×16時(shí)（梁腹板寬厚比較?。?，梁腹板均出現(xiàn)明顯屈曲，使得節(jié)點(diǎn)的承載能力下降；當(dāng)梁截面為H275×115×8×12、H400×200×10×16時(shí)（梁腹板寬厚比較大），節(jié)點(diǎn)區(qū)應(yīng)力擴(kuò)散更為充分。這說明，鋼梁腹板寬厚比對(duì)鋼管混凝土柱 鋼梁隔板貫通式節(jié)點(diǎn)有一定影響，提高鋼梁腹板寬厚比，能夠在一定程度上提高該種節(jié)點(diǎn)的承載能力。另一方面，增加梁翼緣厚度有利于克服鋼管對(duì)隔板應(yīng)力的“截?cái)唷弊饔谩?/p>

通過參數(shù)分析可以得出，為了防止節(jié)點(diǎn)承載力大幅下降，宜按塑性要求控制鋼梁翼緣、腹板的寬厚比。

4 結(jié) 論

采用試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)鋼管混凝土柱 鋼梁隔板貫通式節(jié)點(diǎn)的性能進(jìn)行了研究，得到了如下結(jié)論：

1）以中海廣場(chǎng)為工程背景的鋼管混凝土柱 鋼梁隔板貫通式節(jié)點(diǎn)擬靜力試驗(yàn)表明，該種節(jié)點(diǎn)能夠滿足“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的抗震設(shè)計(jì)原則，節(jié)點(diǎn)的剛度、強(qiáng)度、延性均能滿足設(shè)計(jì)要求。

2）數(shù)值分析結(jié)果和試驗(yàn)研究結(jié)果較為吻合，本文所建立的數(shù)值模型能夠模擬鋼管混凝土柱 鋼梁隔板貫通式節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能。

3）通過大量的參數(shù)分析，確定了不同參數(shù)對(duì)鋼管混凝土柱 鋼梁隔板貫通式節(jié)點(diǎn)性能的影響規(guī)律。根據(jù)研究成果，建議鋼管混凝土柱 鋼梁隔板貫通式節(jié)點(diǎn)的隔板與鋼梁翼緣同厚，以利于施工；隔板外挑寬度宜大于h／10，隔板內(nèi)伸寬度不宜小于外挑寬度；為了防止節(jié)點(diǎn)承載力大幅下降，宜按塑性要求控制鋼梁翼緣、腹板的寬厚比。

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