鋼管混凝土柱隔板貫通節(jié)點局部抗拉性能研究

苗紀奎，邴卿德

（1.山東建筑大學建筑城規(guī)學院，山東濟南250101；2.山東建筑大學可再生能源建筑利用技術教育部重點實驗室，山東濟南250101；3.山東建筑大學資產(chǎn)處，山東濟南250101）

鋼管混凝土柱隔板貫通節(jié)點局部抗拉性能研究

苗紀奎1，2，邴卿德3

（1.山東建筑大學建筑城規(guī)學院，山東濟南250101；2.山東建筑大學可再生能源建筑利用技術教育部重點實驗室，山東濟南250101；3.山東建筑大學資產(chǎn)處，山東濟南250101）

鋼管混凝土柱隔板貫通節(jié)點局部抗拉性能研究對改進方鋼管混凝土柱與鋼梁受拉翼緣的結構性能具有重要意義。文章基于7個十字形隔板貫通節(jié)點試件的靜力拉伸試驗，考慮幾何非線性、鋼材與混凝土接觸非線性和各種材料非線性等多重非線性因素，采用ANSYS有限元軟件建立三維實體模型，對隔板貫通節(jié)點進行了單調(diào)加載分析。結果表明：有限元分析得到的荷載-位移曲線與試驗結果吻合較好；與試驗值相比，節(jié)點屈服承載力有限元計算值的誤差均在5%以內(nèi)，極限承載力有限元計算值的誤差小于14%。有限元分析結果可為隔板貫通節(jié)點承載力計算公式與設計方法的研究提供參考。并提出了改進節(jié)點局部抗拉性能的設計建議。

方鋼管混凝土柱；隔板貫通節(jié)點；局部抗拉性能

Key words：concrete-filled square steel tubular column；diaphragm-through joints；local tensile behavior

0 引言

隔板貫通式連接具有受力明確，承載力高，延性好等優(yōu)點，在日本方鋼管混凝土柱—鋼梁框架體系中得到了廣泛應用。CECS159：2004《矩形鋼管混凝土結構技術規(guī)程》已將隔板貫通節(jié)點列為推薦形式，但規(guī)程中未給出節(jié)點承載力計算公式和設計方法［1］。國內(nèi)此類節(jié)點的研究較少［2-6］.有關隔板貫通節(jié)點的研究主要集中在日本［7-8］。1995年坂神地震中隔板貫通節(jié)點出現(xiàn)了不少破壞，震后日本學者雖然對其進行了大量試驗和理論研究［9-11］，但這些研究主要集中在梁腹板的扇形切角構造，即通過改進焊接工藝孔的尺寸和形式，減輕應力集中，增加節(jié)點延性，而對梁翼緣與隔板拼接時由于幾何突變而產(chǎn)生的應力集中問題考慮較少。日本清水建設開發(fā)了側板加強型節(jié)點以彌補這一不足，但國內(nèi)對焊接箱形柱—鋼梁側板加強型節(jié)點的試驗研究發(fā)現(xiàn)，這種連接構造并不能完全滿足特殊抗彎框架連接塑性轉(zhuǎn)動能力的要求［12］。為研究隔板貫通節(jié)點中鋼梁受拉翼緣與方鋼管混凝土柱的連接性能，在前期對方鋼管混凝土柱隔板貫通節(jié)點研究的基礎上［13-17］，對7個不同構造形式的十字形隔板貫通節(jié)點試件進行了靜力拉伸試驗，并采用ANSYS建立了三維實體模型，對十字形隔板貫通節(jié)點進行了單調(diào)加載作用下的非線性有限元分析，最后根據(jù)節(jié)點域的應力分析，分析了節(jié)點的傳力機理，提出了改進節(jié)點局部抗拉性能的設計建議。

1 試驗概況

1.1 試驗方案

本次試驗設計了2組試件，一組為TV系列，另一組為TS系列，共7個試件，其中TS5為空鋼管試件，用來比較分析。為考察鋼梁翼緣與隔板連接構造對節(jié)點力學性能的影響，TV1試件的鋼梁翼緣與隔板直接焊接（簡稱直接焊接型），即規(guī)程推薦形式；TV2試件的鋼梁翼緣端部用楔形鋼板加強（簡稱側板加強型），即日本阪神地震后的推薦形式；TS系列試件鋼梁翼緣與隔板連接處采用圓弧過渡并將隔板從兩側做成坡度為1：4斜角（簡稱斜角放坡型）。試件的尺寸和拉伸試驗加載示意如圖1所示。

圖1 試件的尺寸及加載示意圖／mm（a）試件TV1；（b）試件TV2；（c）TS系列試件；（d）試件立面圖

TS系列試件設計采用了正交試驗法，并根據(jù)各調(diào)節(jié)參數(shù)的相關性和合理性進行了適當調(diào)整。試件主要調(diào)節(jié)參數(shù)為：澆筑孔直徑、隔板的厚度、鋼管的寬厚比。為考察節(jié)點的力學性能，隔板取與梁翼緣同厚。試件的截面特性見表1，鋼材的材料特性試驗結果見表2，鋼管中填充C40混凝土，fcu＝47.6 MPa，E＝3.73×104MPa。

試驗時單向拉伸荷載施加在鋼梁翼緣上，加載設備采用1000 kN萬能試驗機，荷載可勻速增加，至荷載變形曲線斜率發(fā)生明顯變化或者布置在試件上的應變片達到屈服應變時，即認為該試件達到屈服，此后加載速度降低，直至構件發(fā)生最終破壞，荷載和應變均利用數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)同步采集。

表1 試件的截面特性／mm

表2 鋼材與混凝土的材料特性

1.2 試驗現(xiàn)象

在節(jié)點試件設計時，預想試件加載后將出現(xiàn)兩種不同的破壞模式，即鋼梁翼緣拉斷或節(jié)點達到極限承載力而破壞。事實上，根據(jù)試驗觀測的情況，除了上述兩種破壞模式外（如圖2（a）、（b）所示），試件TV1因梁翼緣與隔板的連接焊縫開裂而破壞（如圖2（c）所示），試件TV2因加強側板焊趾處鋼梁翼緣開裂而破壞（如圖2（d）所示）。試件TS5鋼管內(nèi)未填充混凝土，試驗結束時，與隔板相連的柱翼緣出現(xiàn)明顯的凸起，兩側柱腹板內(nèi)陷，澆筑孔也被拉成橢圓形（如圖2（e）、（f）所示）。各節(jié)點試件的破壞模式見表3。

表3 節(jié)點承載力有限元計算結果與試驗結果的比較

圖2 節(jié)點試件的破壞模式（a）TS1右側梁翼緣拉斷；（b）TS2柱壁凸起變形；（c）TV1隔板與梁對接焊縫開裂；（d）TV2側板焊趾處梁翼緣開裂；（e）TS5柱壁的凹陷變形；（f）TS5澆筑孔變成橢圓形

2 有限元模型

2.1 有限元模型的建立

有限元分析試件選用試驗模型，鋼材采用Von.Mises屈服條件和等向強化法則，梁翼緣與鋼管壁選用SOLID95單元；混凝土采用增量理論彈塑性本構關系模型和Willam-Warnker五參數(shù)破壞準則［18］，混凝土選用SOLID65單元?；炷亮芽p利用ANSYS提供的判別準則，混凝土開裂時的剪力傳遞系數(shù)取0.5，閉合時的剪力傳遞系數(shù)取0.8。在鋼管壁、隔板和混凝土的接觸模擬中，混凝土壁面作為“目標面”，采用TARGE170單元模擬；鋼管壁和隔板作為“接觸面”，采用CONTA174單元模擬。TARGE170單元和CONTA174單元通過共享一個實常數(shù)號形成“接觸對”，從而來模擬鋼管和混凝土之間的接觸作用。為簡化分析，忽略焊縫的影響，采用“粘”（Glue）命令將鋼梁翼緣與隔板粘接在一起?；炷僚c鋼材的力學性能取與試驗值相同，根據(jù)上述方法建立的試件TS4的有限元模型如圖3所示。

圖3 試件TS4有限元模型圖（a）節(jié)點1／4模型及網(wǎng)格化分；（b）接觸單元

2.2 加載與求解

文中分析的節(jié)點模型，模擬的是十字形隔板貫通節(jié)點梁翼緣受拉模型，為了減少模型的自由度數(shù)，節(jié)省計算時間，幾何建模時利用對稱性，取1／4結構再加上對稱約束。柱兩側梁翼緣水平拉力P以位移形式施加，加載前先將梁翼緣端面上所有節(jié)點水平向位移耦合在一個關鍵點上，施加的位移只需加在此關鍵點上即可。求解時采用全Newton-Raphson增量迭代法，預置條件共軛梯度求解器（PCG）求解。

3 非線性有限元結果分析

3.1 荷載位移曲線

有限元分析與試驗所得各試件荷載位移曲線如圖4所示。由圖4可見，在加載初期，試件均處于線彈性階段，隨著荷載的逐級增大，荷載—位移曲線發(fā)生偏轉(zhuǎn)，試件開始屈服，此后曲線的斜率不斷降低，直至試件破壞。除TV系列試件因發(fā)生脆性破壞延性稍差外，TS系列試件都具有較好的承載力和延性，比較試件TS4與TS5的荷載—位移曲線可知，在鋼管中填充混凝土有利于提高節(jié)點的剛度和屈服承載力。

圖4 試件荷載—位移曲線圖（a）TV1和TS1；（b）TV2和TS1；（c）TS2和TS3；（d）TS4和TS5

3.2 節(jié)點域應力分布

三維非線性有限元模擬分析所得試件TS4的Von.Mises應力分布如圖5所示，在水平拉力作用下，梁翼緣上的應力分布比較均勻，隔板上澆筑孔中心與透氣孔中心連線、透氣孔中心與隔板變截面位置連線附近的應力較大，而隔板中部以及外伸部分的應力較小。隔板的變形必然引起鋼管壁的變形，因此鋼管也承擔梁翼緣傳來的部分水平拉力，即隨著荷載的增加，鋼管柱壁拉伸屈服，表現(xiàn)為出平面的凸起變形，與此同時隔板與鋼管柱壁垂直受力方向?qū)l(fā)生橫向收縮，使得鋼管內(nèi)的混凝土受到擠壓。從核心混凝土應力云圖來看，沿受力方向的混凝土應力較小，而垂直受力方向混凝土應力較大，且混凝土應力值隨著與隔板距離的增大而逐漸較小。由節(jié)點域的應力分布可見，由鋼梁翼緣傳來的拉力主要由兩部分承擔，一部分直接由鋼梁翼緣傳遞給隔板，另一部分由于隔板的受力變形間接傳遞給方鋼管柱壁，在鋼管中填充的混凝土限制了鋼管柱壁的變形，從而提高了節(jié)點的剛度和承載力。

圖5 TS4應力分布圖（a）隔板及梁翼緣；（b）鋼管柱壁；（c）混凝土

當拉伸荷載達到130 kN時，試件TV1、TV2和TS1隔板與梁翼緣上的Von.Mises應力分布如圖6所示，三個試件大部分區(qū)域的應力小于120 N／mm2，但峰值應力并不相同，試件TV1的峰值應力位于隔板與梁翼緣連接處，最大值為362 N／mm2；試件TV2的峰值應力位于加強側板與梁翼緣連接處，最大值為325 N／mm2；試件TS1的峰值應力位于隔板圓弧過渡處，最大值為303 N／mm2。TV1和TV2的峰值應力比TS1分別大16%和7%，主要原因在于這兩個試件在峰值應力處截面寬度發(fā)生突變的緣故，此外，由于翼緣與隔板或加強側板焊接的影響，峰值應力處鋼材的脆性加大，成為受力的薄弱環(huán)節(jié)，這也驗證了試件TV1與TV2的試驗破壞特征。試件TS1由于在鋼梁翼緣與隔板連接處采用圓弧過渡并將隔板從兩側做成坡度為1：4斜角，降低了此處的應力集中，此外，隔板與翼緣的連接焊縫也遠離峰值應力處，消除了焊接對節(jié)點力學性能的不利影響，因而節(jié)點表現(xiàn)出了較好的承載力和延性。

圖6 隔板與梁翼緣連接處應力分布比較圖（a）TV2；（b）TV2；（c）TS1

4 結論

通過上述研究可知：

（1）有限元分析與試驗所得各試件的荷載—位移曲線吻合較好，與試驗值相比，節(jié)點屈服承載力有限元計算值的誤差在5%以內(nèi)，極限承載力有限元計算值的誤差小于14%，有限元分析結果可為節(jié)點承載力計算公式與設計方法的研究提供參考。

（2）節(jié)點域的應力分析表明，由鋼梁翼緣傳來的拉力主要由兩部分承擔：一部分直接由鋼梁翼緣傳遞給隔板，另一部分由于隔板的受力變形間接傳遞給方鋼管柱壁；在鋼管中填充的混凝土限制了鋼管柱壁的變形，從而提高了節(jié)點的剛度和承載力。

（3）鋼梁翼緣與隔板連接區(qū)域的應力分析表明，直接焊接型與側板加強型節(jié)點應力集中比較明顯，而在鋼梁翼緣與隔板連接處采用圓弧過渡并將隔板從兩側做成坡度為1：4的斜角，可以有效地降低應力集中，減小焊接對節(jié)點局部抗拉性能的不利影響，防止節(jié)點發(fā)生脆性破壞。

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（學科責編：李雪蕾）

Local tensile behavior of diaphragm-through joints of concrete-filled steel tubular column

Miao Jikui1，2，Bing Qingde3

（1.Schoolof Architecture and Urban Planning，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.Key Laboratory of Renewable Energy Utilization Technologies in Building ofMinistry of Education，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；3.Department of Assets，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China）

Seven cruciform specimens of diaphragm-through jointmodel are studied by static tensile test to investigate the structural behavior of the connection between concrete-filled square steel tubular column and steel beam tensile flange.On the basis of experimental investigation，3-D nonlinear FEM models of diaphragm-through joints involving geometric large deformation，contact problems between the steel and the concrete andmaterials nonlinear are presented and the behavior of connections under themonotonic loading are analyzed by using ANSYS.Research results indicate that load-deflection curves by finite element analysis show good agreement with those of the experiment.Compared with experimental values，yield bearing capacity of the finite element calculation error is less than 5%，and the ultimate bearing capacity of finite element calculation error is less than 14%.The finite element analysis results can provide the reference for studying bearing capacity calculation formula and design method of diaphragm-through joint.Based on the stress distribution of the joint zone，the transfermechanism of the joint is analyzed，and some design suggestions for improving local tensile behavior of joint are presented according to stress distribution analyses in the joint zone between steel beam flange and diaphragm.

TU398

A

1673-7644（2015）02-0103-07

2014-08-28

國家自然科學基金項目（51268054）；山東省自然科學基金項目（ZR2013EEM003）

苗紀奎（1973-），男，副教授，博士，主要從事綠色建筑體系與節(jié)能技術的等方面的研究.E-mail：mjikui2004＠sdjzu.edu.cn