預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土梁-鋼管混凝土柱節(jié)點變參數(shù)受力分析

高志宏

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

前言

鐵路大型旅客站房受其功能布置和線間立柱限界的雙重影響，具有大跨、重載及豎向構(gòu)件布置受限等特點，因此在結(jié)構(gòu)選型上多采用雙向框架結(jié)構(gòu)體系。為了提高框架結(jié)構(gòu)的抗震性能，框架柱多采用型鋼混凝土柱或鋼管混凝土柱，框架梁為預(yù)應(yīng)力混凝土梁或型鋼混凝土梁[1-4]。

呼和浩特東站站房柱網(wǎng)呈正三角形布置，斜向最大柱距達(dá)到31.176 m，框架柱采用鋼管混凝土柱，框架梁為預(yù)應(yīng)力混凝土梁，并在梁端設(shè)置型鋼梁與鋼管混凝土柱加強(qiáng)(設(shè)置加強(qiáng)環(huán))連接，故而在邊跨處形成了斜向交匯的預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土梁-鋼管混凝土柱節(jié)點。

預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土梁-鋼管混凝土柱節(jié)點的可靠性是保證框架結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵。國內(nèi)學(xué)者對相關(guān)節(jié)點進(jìn)行了大量的研究，如聶建國等對鋼筋混凝土梁-鋼管混凝土柱外加強(qiáng)環(huán)節(jié)點進(jìn)行了試驗研究，對其構(gòu)造措施提出了改進(jìn)建議[5]；丁陽等采用低周往復(fù)擬靜力試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，對預(yù)應(yīng)力混凝土梁-鋼管混凝土柱節(jié)點進(jìn)行了研究，得出其具有良好的承載力及延性[6]；趙雯桐對梁柱節(jié)點內(nèi)的縱筋滑移進(jìn)行模擬分析，結(jié)果表明滑移量較小時，模擬結(jié)果與試驗較為接近[7]；朱海清對提出的新型鋼管混凝土節(jié)點進(jìn)行低周反復(fù)荷載試驗，并與傳統(tǒng)的節(jié)點破壞形式、滯回曲線、變形能力及累積耗能等進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明新型節(jié)點無明顯滑移或脫開破壞，延性及耗能均有所提高[8]；金懷印等對正交的預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土梁-鋼管混凝土柱節(jié)點抗震性能進(jìn)行了試驗研究，從節(jié)點受力過程、破壞形態(tài)、延性及剛度退化等抗震性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究[9]。林聰、方梅[10-11]分別利用有限元以及試驗對預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土梁-鋼管混凝土柱節(jié)點受剪與抗震性能進(jìn)行研究。唐昌輝等[12]利用試驗研究無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土梁-鋼管混凝土柱節(jié)點的抗震性能與設(shè)計理論。鄧國專[13]基于既有的試驗結(jié)果和理論計算，研究了環(huán)板寬度對節(jié)點的承載力和剛度的影響，并建立承載力-變形雙控原則來確定外加強(qiáng)環(huán)板尺寸的計算公式。曲慧[14]研究受力全過程中節(jié)點裂縫和變形發(fā)展過程，明確節(jié)點極限狀態(tài)和破壞模態(tài)；揭示節(jié)點核心區(qū)混凝土約束力、鋼筋應(yīng)變、核心區(qū)剪力的變化規(guī)律。

綜上，雖然對此類節(jié)點的研究較多，但針對斜向交匯的預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土梁-鋼管混凝土柱節(jié)點的研究卻很少，現(xiàn)行規(guī)范中亦未做相關(guān)規(guī)定，因此，十分有必要對此斜向交匯的預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土梁-鋼管混凝土柱節(jié)點進(jìn)行受力分析，以確保節(jié)點的安全。采用ADINA軟件建立某典型的斜向交匯節(jié)點的有限元模型，運用HyperMesh軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，分析預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土梁柱節(jié)點在變參數(shù)下的應(yīng)力變化，以采集一些重要的力學(xué)響應(yīng)數(shù)據(jù)，為工程設(shè)計提供理論依據(jù)和優(yōu)化建議。

1 工程概況

呼和浩特東站位于呼和浩特市主城區(qū)東側(cè)，是一座現(xiàn)代化大型火車站，站房建筑面積59 240 m2。站房平面構(gòu)型新穎，中部為正六邊形，兩側(cè)為對稱的平行四邊形，站臺無柱雨棚以站房為中心向左右兩側(cè)延伸，整體上形成連綿不絕的蒙古包的效果，建成后站房鳥瞰如圖1所示。站房高架候車廳樓蓋柱網(wǎng)為31.176 m×27 m，呈正三角形規(guī)則布置，候車廳樓蓋結(jié)構(gòu)平面如圖2所示。

圖1 呼和浩特東站站房鳥瞰

圖2 站房候車廳樓蓋平面布置(局部)(單位：mm)

工程設(shè)計使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)的安全等級為一級；抗震設(shè)防烈度為8度，地震加速度0.2g，設(shè)計地震分組為第二組，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.40 s；主站房的抗震設(shè)防類別為乙類建筑，按8度設(shè)防烈度進(jìn)行抗震計算，按設(shè)防烈度9度采取抗震措施。

基于上述標(biāo)準(zhǔn)，站房主體結(jié)構(gòu)采用了預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁-鋼管混凝土柱框架體系。從樓蓋結(jié)構(gòu)平面布置圖可知，站房中部形成了兩向正交的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁-鋼管混凝土柱節(jié)點，而站房兩側(cè)邊跨則形成了復(fù)雜的斜向交匯預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁-鋼管混凝土柱節(jié)點。為保證框架連接節(jié)點處的承載力及延性，在預(yù)應(yīng)力混凝土梁端設(shè)置型鋼梁，與鋼管混凝土柱間采用環(huán)板連接，梁內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼筋穿過節(jié)點核心區(qū)，普通鋼筋部分繞過節(jié)點貫通設(shè)置，部分與環(huán)板雙面焊接連接。其中，11軸交F軸所形成的典型斜向交匯節(jié)點大樣如圖3所示，與節(jié)點相連各構(gòu)件的截面及材質(zhì)見表1，表1中混凝土等級為C40，鋼材為Q345B。

表1 構(gòu)件截面參數(shù)

注：As表示鋼絞線

圖3 11軸交F軸節(jié)點平面示意(單位：mm)

由于框架梁端進(jìn)行了截面加強(qiáng)，且設(shè)置有型鋼梁，在預(yù)應(yīng)力共同作用下，節(jié)點域的剛度很大，構(gòu)件各部位的三向變形均較小，因此剛度不是控制本節(jié)點的主導(dǎo)因素。相反，由于節(jié)點域多種材質(zhì)的存在，在設(shè)計荷載作用下節(jié)點域內(nèi)型鋼梁、預(yù)應(yīng)力筋及普通鋼筋的應(yīng)力值分布顯得尤為重要，因此，需對節(jié)點在設(shè)計荷載作用下各單元構(gòu)件的應(yīng)力分布進(jìn)行更為詳細(xì)的分析和研究。結(jié)合內(nèi)外環(huán)板的尺寸及預(yù)應(yīng)力筋的截斷位置，對11軸交F軸的典型斜向交匯節(jié)點進(jìn)行有限元參數(shù)化分析，各變參數(shù)見表2。

圖4 梁柱節(jié)點三維CAD實體模型

影響因素情況描述外環(huán)板厚/mm內(nèi)環(huán)板厚/mm備注加強(qiáng)環(huán)板的影響設(shè)置外環(huán)板800轉(zhuǎn)折處不倒角600轉(zhuǎn)折處不倒角600轉(zhuǎn)折處倒角設(shè)置內(nèi)、外環(huán)板6060轉(zhuǎn)折處倒角預(yù)應(yīng)力筋截斷位置影響通長設(shè)置6060轉(zhuǎn)折處倒角在型鋼梁端截斷6060轉(zhuǎn)折處倒角

2 梁柱節(jié)點有限元模型的建立

所選取的節(jié)點為預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土梁柱節(jié)點，梁內(nèi)設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼絞線，并且穿過梁柱節(jié)點核心區(qū)，錨固于節(jié)點核心區(qū)外側(cè)，型鋼與鋼管柱采用加強(qiáng)環(huán)板連接，梁內(nèi)普通鋼筋部分焊于環(huán)板上，部分繞過鋼管柱貫通。由此可見，所分析的節(jié)點較為復(fù)雜，為了確保有限元模型建立的準(zhǔn)確性，模型采用了全三維CAD設(shè)計，較好地解決了鋼結(jié)構(gòu)、混凝土、鋼筋及預(yù)應(yīng)力鋼絞線之間的幾何干涉關(guān)系，建立的三維CAD的節(jié)點模型如圖4所示。

選用ADINA軟件對節(jié)點進(jìn)行有限元分析，針對不同的對象分別采用桿單元、梁單元、剛性連桿、殼單元和3-D實體單元，鋼管與混凝土間采用了接觸約束等[15-16]非線性邊界約束單元；鋼材采用等向彈塑性模型，混凝土采用塑性損傷模型，其本構(gòu)關(guān)系參照文獻(xiàn)[17]確定。在分析時，考慮到節(jié)點中各構(gòu)件幾何載面均較大，幾何非線性問題不突出，故分析中僅考慮材料非線性和接觸約束的狀態(tài)非線性問題，非線性計算方法選擇了Newton-Raphson分步增量迭代算法(混合算法)[18-19]。

有限元網(wǎng)格劃分是進(jìn)行有限元數(shù)值模擬分析至關(guān)重要的一步，它直接影響著后續(xù)數(shù)值計算分析結(jié)果的精確性。節(jié)點在網(wǎng)格劃分過程中，采用HyperMesh軟件對有限元模型在網(wǎng)格數(shù)量、網(wǎng)格疏密、網(wǎng)格質(zhì)量、網(wǎng)格分界面、分界點及網(wǎng)格布局上進(jìn)行了精確的選擇和劃分[20]，取得了較好的效果。

模型中所用的荷載直接提取整體桿系模型中一組最不利控制組合的桿件內(nèi)力，作為其計算控制荷載或約束邊界條件。梁柱節(jié)點采用逐級遞增加載方式，加載步總共分為10級，荷載遞增量為10%，并直接在鋼管混凝土柱上下端有限元節(jié)點上設(shè)置剛性約束。

3 結(jié)果與分析

3.1 影響因素變參數(shù)分析

3.1.1 加強(qiáng)環(huán)板的影響

對外加強(qiáng)板板厚進(jìn)行參數(shù)化分析。(1) 僅設(shè)置外加強(qiáng)環(huán)板，板厚80 mm。節(jié)點區(qū)鋼管柱及環(huán)板的應(yīng)力云圖如圖5(a)所示，可見A、B及C點出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，有屈服趨勢，但最大應(yīng)力值239 MPa仍小于屈服強(qiáng)度，滿足設(shè)計要求并有一定的富余；(2)僅設(shè)置外加強(qiáng)環(huán)板，板厚60 mm。節(jié)點區(qū)鋼管柱及環(huán)板的應(yīng)力云圖如圖5(b)所示，環(huán)板變薄后A、B及C點同樣存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，但最大應(yīng)力(C點處)達(dá)到了249 MPa，已經(jīng)達(dá)到了應(yīng)力屈服強(qiáng)度，其他部分應(yīng)力也有所提高；(3)僅設(shè)置外加強(qiáng)環(huán)板，板厚60 mm，轉(zhuǎn)折處作倒角處理。為了減小環(huán)板轉(zhuǎn)折處應(yīng)力集中的不利影響，對加強(qiáng)環(huán)板采用圓弧進(jìn)行光滑過渡，優(yōu)化后的節(jié)點受力云圖如圖5(c)所示，可見環(huán)板中應(yīng)力集中得到了明顯改善，除C點仍有一定應(yīng)力集中外，A、B兩點處不再出現(xiàn)應(yīng)力集中，C點最大應(yīng)力242 MPa，小于屈服強(qiáng)度，滿足設(shè)計要求；(4) 同時設(shè)置內(nèi)外加強(qiáng)環(huán)板，板厚均為60 mm，轉(zhuǎn)折處作倒角處理。節(jié)點區(qū)鋼管柱及環(huán)板的應(yīng)力云圖如圖5(d)所示，增加內(nèi)環(huán)板后，在內(nèi)外環(huán)板共同作用下，內(nèi)加強(qiáng)環(huán)板承擔(dān)的最大應(yīng)力值為154 MPa，約為外加強(qiáng)環(huán)板的70%，使整個應(yīng)力狀態(tài)降低。C點處雖仍有應(yīng)力集中現(xiàn)象，但峰值下降至215 MPa，綜合性能有所改善。

圖5 節(jié)點鋼管柱及環(huán)板應(yīng)力云圖

根據(jù)上述分析，設(shè)計中最終采用內(nèi)外環(huán)板同時設(shè)置的節(jié)點形式，并在轉(zhuǎn)折處采用圓弧光滑過渡。

3.1.2 預(yù)應(yīng)力筋截斷位置影響

為了考察梁內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋截斷位置對節(jié)點各單元的受力影響，分別對通長布置和在型鋼梁端錨固2種情況進(jìn)行分析(梁端錨固點設(shè)置在型鋼梁端，約2.5倍型鋼梁高處)。在相同加載條件下，節(jié)點各單元的應(yīng)力云圖如圖6、圖7所示。從各單元的應(yīng)力云圖可知，兩種情況下梁內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋和普通鋼筋的應(yīng)力值相差較小，其值分別在900～1 350 MPa和200～330 MPa，可見預(yù)應(yīng)力筋的截斷位置對節(jié)點的受力影響并不大。

圖6 預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力云圖

圖7 普通縱向鋼筋應(yīng)力云圖

由于內(nèi)支座彎矩比邊支座控制截面處的彎矩明顯大得多，因此無論是抗裂度，還是受彎承載力，其控制截面都在內(nèi)支座截面處，故設(shè)計中將相鄰跨的預(yù)應(yīng)力鋼筋通過內(nèi)支座控制截面并延長0.3倍跨度后截斷錨固。

3.2 節(jié)點受力性能分析

根據(jù)3.1.1、3.1.2節(jié)所確定的節(jié)點參數(shù)如下：(1)鋼管混凝土柱與型鋼梁連接處設(shè)置內(nèi)、外環(huán)板，板厚分別為60，80 mm，外環(huán)板與型鋼梁過渡段設(shè)置圓弧過渡；(2)梁內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋貫穿節(jié)點，并延伸到相鄰跨0.3倍跨度后截斷錨固；(3)梁內(nèi)普通鋼筋按實際設(shè)計情況設(shè)置。

按上述參數(shù)重新建立梁柱整體模型，逐步加載后得到節(jié)點荷載-位移關(guān)系曲線，如圖8所示。從圖8可見，在設(shè)計荷載作用下，節(jié)點呈非線性彈性變化，加載至第10級荷載步時，位移達(dá)到16 mm，此時曲線仍未出現(xiàn)塑性平緩或下降段，可見該梁柱節(jié)點具有很好承載力和剛度。加載至最大荷載步時，梁柱節(jié)點內(nèi)各單元的應(yīng)力云圖如圖9所示。鋼管柱及型鋼梁的應(yīng)力峰值約為188 MPa，出現(xiàn)在型鋼梁與外加強(qiáng)環(huán)板交界處，為應(yīng)力集中現(xiàn)象，但區(qū)域面積小，分布離散且不貫通。濾去應(yīng)力集中區(qū)域，鋼管柱的最大應(yīng)力值為140 MPa，型鋼梁的最大應(yīng)力值120 MPa，均小于規(guī)范限值；從框架梁內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋、縱向鋼筋的應(yīng)力云圖可知，各受力筋的應(yīng)力分布較為均勻，且應(yīng)力值均控制在規(guī)范限值以內(nèi)；從梁端箍筋應(yīng)力云圖可見，加強(qiáng)區(qū)段的箍筋應(yīng)力值較小，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在梁端加強(qiáng)區(qū)以外，設(shè)計時應(yīng)將梁端箍筋加密區(qū)延長至加強(qiáng)區(qū)外1.5倍梁高范圍內(nèi)，以確?？辜舫休d力的平緩過渡。

圖8 節(jié)點荷載-位移關(guān)系曲線

圖9 節(jié)點內(nèi)各單元的應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

(1)采用ADINA的有限元軟件及HyperMesh網(wǎng)格劃分功能，可很好地模擬復(fù)雜預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土梁-鋼管混凝土柱節(jié)點的受力特性，具有較高的計算精度和準(zhǔn)確性，為設(shè)計提供了必要的理論依據(jù)。

(2)同時設(shè)置內(nèi)外加強(qiáng)環(huán)板并進(jìn)行圓弧過渡處理，可有效地降低環(huán)板的應(yīng)力集中現(xiàn)象，板件最大應(yīng)力由249 MPa減小為215 MPa。

(3)當(dāng)預(yù)應(yīng)力筋在2.5倍型鋼梁高以外截斷時，預(yù)應(yīng)力筋的截斷位置對節(jié)點的受力影響不大，但考慮到整體彎矩分布，建議預(yù)應(yīng)力筋通過控制截面并延長0.3倍跨度后截斷。

(4)在設(shè)計荷載作用下，該節(jié)點呈非線性彈性變化，具有很好的承載力和剛度。梁內(nèi)箍筋最大應(yīng)力值出現(xiàn)在梁端加強(qiáng)區(qū)以外，設(shè)計時應(yīng)將梁端箍筋加密區(qū)延長至加強(qiáng)區(qū)外1.5倍梁高范圍內(nèi)，以確?？辜舫休d力的平緩過渡。