超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中圓鋼管節(jié)點(diǎn)抗壓承載力研究

王 振

(西安華僑城實(shí)業(yè)有限公司，陜西 西安 710000)

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)大多一二線(xiàn)城市，甚至是三四線(xiàn)城市天際線(xiàn)不斷被提高，摩天大樓日益增多，但關(guān)于超高層的設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范目前并不完善。

隨著新型高性能鋼材的迅速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)在超高層建設(shè)工程中的應(yīng)用愈發(fā)廣泛，而鋼材抗拉性能優(yōu)良，延性好，當(dāng)節(jié)點(diǎn)主管剛度相對(duì)支管剛度較弱時(shí)，很可能造成沖剪破壞或主管管壁塑性破壞，為提高薄弱部位鋼管相貫節(jié)點(diǎn)的承載力，Wardenier[1]提出在鋼管相貫節(jié)點(diǎn)的主管內(nèi)灌注混凝土的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)承載力的目的，從節(jié)點(diǎn)主管的角度來(lái)看，混凝土填充在主管內(nèi)部會(huì)加強(qiáng)其徑向剛度，同時(shí)，主管對(duì)內(nèi)部的混凝土產(chǎn)生套箍約束作用使得混凝土優(yōu)良的抗壓性能得以發(fā)揮，此方案充分利用了鋼材和混凝土力學(xué)性能以實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”。

Yin等人[2]試驗(yàn)研究了N型圓鋼管節(jié)點(diǎn)主管是否灌注混凝土對(duì)節(jié)點(diǎn)滯回性能的影響，得到在主管中灌混凝土能有效提高節(jié)點(diǎn)滯回性能的結(jié)論；國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)主管灌注混凝土的K型相貫節(jié)點(diǎn)的抗壓性能進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，得出了K型節(jié)點(diǎn)極限承載力半經(jīng)驗(yàn)公式[3-6]；陳譽(yù)和張鉆湖[7-9]對(duì)6個(gè)不同截面幾何參數(shù)，主管與支管間夾角90°，主管灌注混凝土的平面X型圓鋼管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了支管軸向受壓承載力試驗(yàn)及抗彎承載力試驗(yàn)研究，得出在主管中灌注混凝土對(duì)節(jié)點(diǎn)軸壓承載力未見(jiàn)顯著提高反而有所降低并且在一定參數(shù)條件下提升節(jié)點(diǎn)的抗彎承載力的結(jié)論。綜合上述研究?jī)?nèi)容不難看出，就目前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀而言，相貫節(jié)點(diǎn)部位容易發(fā)生破壞，對(duì)于主管灌混凝土加強(qiáng)圓鋼管節(jié)點(diǎn)的研究較少且不夠充分。

本文以平面X型圓鋼管節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象，利用數(shù)值分析技術(shù)，建立空鋼管及主管中灌入混凝土的圓鋼管相貫節(jié)點(diǎn)模型，研究節(jié)點(diǎn)在支管受軸壓荷載作用下的極限承載力、節(jié)點(diǎn)的破壞模式、應(yīng)力分布等，并與前人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，之后分析主管材料、支管材料以及主管和支管間角度這三個(gè)參數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)抗壓承載力的影響，為圓鋼管在實(shí)際工程中的設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供參考。

1 有限元分析模型

本文采用大型通用有限元軟件ABAQUS對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行非線(xiàn)性分析，數(shù)值分析過(guò)程中需要確定其幾何尺寸、鋼管材料、混凝土材料本構(gòu)關(guān)系、單元類(lèi)型選取、邊界條件、網(wǎng)格劃分、混凝土與鋼管接觸關(guān)系。

1.1 材料本構(gòu)關(guān)系模型

本文采用約束混凝土[10]和低碳軟鋼模擬主管內(nèi)部混凝土及節(jié)點(diǎn)鋼管材料，其中約束混凝土單軸受壓的本構(gòu)關(guān)系如下：

(1)

模型采用下式表述混凝土軸拉應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系：

(2)

在數(shù)值分析中，對(duì)于低碳軟鋼鋼材本構(gòu)，材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)包括彈性段、彈塑性段、塑性段、強(qiáng)化段和二次流塑性總共五個(gè)階段[11]，見(jiàn)圖1。圖1中虛線(xiàn)為鋼材的實(shí)際應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)，實(shí)線(xiàn)所示為簡(jiǎn)化后模型使用的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)，其簡(jiǎn)化后模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(3)

其中,fu,fy和fp分別為鋼管材料的抗拉強(qiáng)度極限、屈服極限和比例極限，εe=0.8fy/Es，εe1=1.5εe，εe2=10εe1，εe3=100εe1。

1.2 鋼—混接觸面定義

鋼管與內(nèi)包混凝土之間的接觸模型定義為法向硬接觸(即鋼材和混凝土材料不能互相穿透但接觸面之間能夠傳遞接觸應(yīng)力p)和切線(xiàn)方向的庫(kù)侖摩擦接觸模型[12]兩部分組成。整個(gè)界面的粘結(jié)滑移剪應(yīng)力達(dá)到臨界值τcrit時(shí)，鋼管與混凝土之間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，滑動(dòng)時(shí)剪應(yīng)力仍為臨界值τcrit，其計(jì)算式如下：

τcrit=μ×p≥τbond

(4)

其中，μ為摩擦系數(shù)，本文取值0.25；p為接觸壓力；τbond為平均粘結(jié)應(yīng)力。

1.3 模型建立

鋼管采用四節(jié)點(diǎn)完全積分殼單元(S4)進(jìn)行模擬，鋼材初始彈性模量取206 000 MPa，泊松比為0.3。混凝土采用八節(jié)點(diǎn)減縮積分實(shí)體單元(C3D8R)進(jìn)行模擬，核心混凝土采用ABAQUS自帶的混凝土損傷模型[13]。

主管中灌入混凝土的平面X型圓鋼管節(jié)點(diǎn)以及平面X型空鋼管節(jié)點(diǎn)計(jì)算模型劃分示意圖，見(jiàn)圖2，圖3，網(wǎng)格劃分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，非線(xiàn)性求解方法采用牛頓迭代增量法。

2 有限元模型有效性驗(yàn)證

2.1 試件模型

取文獻(xiàn)[7]中主管灌注混凝土的X型節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)試件建立相應(yīng)的有限元模型，試件編號(hào)及相關(guān)參數(shù)，見(jiàn)表1，試件具體尺寸如圖4所示，主管長(zhǎng)900 mm，支管長(zhǎng)700 mm，主管與支管在各自1/2位置處正交，夾角為90°，Db,Dc分別為支管、主管外徑，tb,tc分別為支管、主管壁厚；fy1,fy2分別為主管和支管鋼材屈服強(qiáng)度；fcu為實(shí)測(cè)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度，實(shí)測(cè)彈模為3.09×104MPa。

表1 試件參數(shù)

2.2 結(jié)果對(duì)比

本文通過(guò)有限元軟件模擬了空鋼管及主管灌注混凝土的圓鋼管相貫節(jié)點(diǎn)受支管軸壓荷載作用下的cc4試件和cc5試件在開(kāi)始發(fā)生塑性破壞時(shí)應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D，見(jiàn)圖5。對(duì)比云圖發(fā)現(xiàn)：空鋼管節(jié)點(diǎn)發(fā)生破壞時(shí)應(yīng)力集中位于相交位置的主管上，結(jié)構(gòu)破壞的原因主要是由于主管在相交位置處發(fā)生了破壞；而當(dāng)主管內(nèi)部灌入混凝土對(duì)主管節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)后，結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞時(shí)應(yīng)力集中轉(zhuǎn)而位于支管相交位置，破壞原因主要是由于支管根部發(fā)生破壞，這是由于主管內(nèi)灌混凝土X型圓鋼管軸壓節(jié)點(diǎn)試件中混凝土承擔(dān)了很大一部分支管軸力，限制了主管的變形。模型得到的主管灌注混凝土的節(jié)點(diǎn)計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[7]中的試驗(yàn)現(xiàn)象完全一致。

空鋼管及主管灌注混凝土的圓鋼管相貫節(jié)點(diǎn)受支管軸壓荷載作用下的cc4試件和cc5試件的荷載位移曲線(xiàn)，見(jiàn)圖6，發(fā)現(xiàn)主管灌注混凝土的圓鋼管相貫節(jié)點(diǎn)的有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)荷載滑移曲線(xiàn)十分吻合，cc4試件和cc5試件均在支管加載到1.5 mm左右，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，此時(shí)模擬得到的cc4試件和cc5試件破壞荷載分別為206.4 kN和210.9 kN，試驗(yàn)得到的破壞荷載值約為225.0 kN和233.0 kN，計(jì)算值為試驗(yàn)值的91.7%和90.5%，具體承載力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。表中Nue為試驗(yàn)實(shí)測(cè)抗壓承載極限值，Nfe為有限元計(jì)算抗壓承載力極限值，Nk為有限元計(jì)算空鋼管節(jié)點(diǎn)抗壓承載力極限值，D為主管與支管間角度。由試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)本文有限元模型能夠很好地體現(xiàn)主管灌注混凝土的圓鋼管相貫節(jié)點(diǎn)受支管軸壓荷載作用下的應(yīng)力應(yīng)變情況。

通過(guò)圖6對(duì)比主管是否灌注混凝土對(duì)節(jié)點(diǎn)的荷載滑移曲線(xiàn)明顯可以看出主管灌注混凝土能顯著提升相貫節(jié)點(diǎn)的抗壓承載力，主管灌入混凝土比空鋼管節(jié)點(diǎn)抗壓承載力提高了約2倍～4倍。

表2 模型計(jì)算結(jié)果

3 參數(shù)分析

本文建立不同參數(shù)的主管灌注混凝土平面X型圓鋼管節(jié)點(diǎn)模型，模型參數(shù)及有限元計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3，設(shè)置模型M-cc4為對(duì)照組，其余有限元模型與模型M-cc4幾何尺寸相同，模型M-cc4-1和M-cc4-2分別改變模型主管和支管的鋼材屈服強(qiáng)度，模型M-cc4-80和M-cc4-60改變主管與支管間的夾角，表3中Ang代表主管與支管間夾角角度，夾角的取值范圍為0°～90°。各模型在軸壓下的荷載位移曲線(xiàn)，見(jiàn)圖7。

表3 模型參數(shù)及計(jì)算結(jié)果

對(duì)比模型M-cc4,M-cc4-1和M-cc4-2的計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)：改變主管鋼材強(qiáng)度對(duì)于該節(jié)點(diǎn)抗壓承載力影響較小，而支管材料強(qiáng)度變化對(duì)節(jié)點(diǎn)抗壓承載力影響較大，這是由于主管灌注混凝土后其剛度遠(yuǎn)大于支管，此時(shí)節(jié)點(diǎn)破壞主要是支管發(fā)生破壞，因此改變支管的剛度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較大。

節(jié)點(diǎn)模型M-cc4-80和M-cc4-60均在加載位移為1.5 mm左右支管中部開(kāi)始出現(xiàn)局部破壞，此時(shí)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D，見(jiàn)圖8。對(duì)比不同夾角節(jié)點(diǎn)受支管軸壓荷載的荷載位移曲線(xiàn)及應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D可得：節(jié)點(diǎn)受到支管軸壓荷載作用的情況下，主、支管夾角的改變對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力幾乎沒(méi)有影響；當(dāng)主支管間角度小于90°時(shí)，節(jié)點(diǎn)破壞均為支管中部出現(xiàn)局部破壞，且破壞最先發(fā)生在支管、主管交界面與邊界沿縱向較短一側(cè)節(jié)點(diǎn)交叉部位。

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用有限元軟件建立平面X型圓鋼管節(jié)點(diǎn)模型，分析研究節(jié)點(diǎn)的抗壓承載力，得到以下幾個(gè)結(jié)論：

1)建立了主管灌注混凝土X型節(jié)點(diǎn)模型，與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證了該有限元模型的準(zhǔn)確性。2)通過(guò)建立空鋼管平面X型節(jié)點(diǎn)與主管灌混凝土平面X型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比可得：主管灌混凝土節(jié)點(diǎn)受壓承載力約為空鋼管節(jié)點(diǎn)的2倍～4倍。同時(shí)得到主管灌混凝土X型節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)破壞時(shí)應(yīng)力主要分布在支管上，主管未進(jìn)入塑性破壞階段，而空鋼管節(jié)點(diǎn)破壞時(shí)，應(yīng)力主要分布在主管上。3)通過(guò)建立主管與支管成80°和60°的夾角對(duì)比90°的情況可得：主管與支管間角度不為90°時(shí)，破壞最先發(fā)生在支管、主管交界面與邊界沿縱向較短一側(cè)節(jié)點(diǎn)交叉部位，但角度對(duì)主管灌混凝土平面X型圓鋼管節(jié)點(diǎn)抗壓承載力影響較小。4)通過(guò)對(duì)比材料參數(shù)可得：主管灌混凝土X型節(jié)點(diǎn)中支管材料力學(xué)性能對(duì)節(jié)點(diǎn)抗壓承載力影響較大，主管材料對(duì)承載力影響較小。