方鋼管混凝土柱—鋼梁套筒連接節(jié)點(diǎn)參數(shù)分析★

徐 嫚 李紫微 韓振寧

(1.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市規(guī)劃設(shè)計研究院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

鋼管混凝土是指在鋼管中填充混凝土，從而使得鋼管及其核心混凝土能共同承受外荷載作用的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。它能夠取長補(bǔ)短，吸收鋼、混凝土二者的優(yōu)點(diǎn)，鋼管內(nèi)核心混凝土可以改善鋼管的局部屈曲，而鋼管則可以限制混凝土的變形，使內(nèi)部混凝土處于三向受壓狀態(tài)，提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度，具有強(qiáng)度高、自重輕、吸收能量大、耐火性能好[1]等優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)殇摴芑炷两Y(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比具有明顯的優(yōu)勢，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)正被廣泛應(yīng)用于工業(yè)廠房、高層建筑和地鐵橋梁等結(jié)構(gòu)中，獲得了較高的綜合效益。然而，梁柱連接節(jié)點(diǎn)的發(fā)展一直制約著其進(jìn)一步推廣使用，故深入研究結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能具有重要的價值和意義。

P Ansourian等[2]對鋼管混凝土柱與鋼梁焊接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：鋼管混凝土柱與鋼梁焊接節(jié)點(diǎn)受力的主要部位在焊接處，在往復(fù)荷載作用下，節(jié)點(diǎn)焊縫處易出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象。Yousef.M.Alostaz等[3]對6種不同連接形式的鋼梁—圓鋼管混凝土柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元模擬分析，節(jié)點(diǎn)類型包括：直接焊接式、外加強(qiáng)環(huán)式、腹板貫通式、鋼筋貫通式、翼緣貫通式、鋼梁貫通式，研究表明：初始剛度最大的節(jié)點(diǎn)是直接焊接式節(jié)點(diǎn)。Atorod Azizinamini等[4]對6個不同連接方式鋼梁—圓鋼管混凝土柱的T形節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)分析，研究表明：鋼梁與鋼管柱壁直接焊接的節(jié)點(diǎn)，柱管壁容易發(fā)生平面外變形，不適合在工程中應(yīng)用。高奎[5]分別建立帶外套管和不帶外套管鋼管混凝土柱與鋼梁連接節(jié)點(diǎn)，對比分析節(jié)點(diǎn)在單調(diào)作用下的受力性能，得出外套管在鋼管混凝土柱與鋼梁連接節(jié)點(diǎn)工作過程中所起的作用。張崗崗[6]針對6個方鋼管混凝土柱套筒—端板節(jié)點(diǎn)試件進(jìn)行試驗(yàn)研究，研究表明：下弦節(jié)點(diǎn)破壞模式主要是套筒壁脆性剪切破壞以及焊縫斷裂，破壞主要發(fā)生在套筒筒壁拼接處和連接短梁翼緣附近的套筒筒壁上，建議在實(shí)際工程中嚴(yán)格控制套筒筒壁拼接處的焊縫質(zhì)量，如果條件允許建議采用整體式套筒或兩個“U”形板對接而成的套筒。

綜上，直接焊接節(jié)點(diǎn)的初始剛度大，但易引起柱管壁發(fā)生平面變形，且節(jié)點(diǎn)焊縫處易出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象。而且，多數(shù)研究主要集中在節(jié)點(diǎn)的靜力試驗(yàn)研究，對節(jié)點(diǎn)的抗震性能研究較少，且試驗(yàn)中分析參數(shù)較少，分析不夠全面。為了改善焊接節(jié)點(diǎn)的不足，也為了更多地了解不同參數(shù)對套筒連接節(jié)點(diǎn)性能的影響。針對一種套筒連接節(jié)點(diǎn)[7](節(jié)點(diǎn)形式如圖1所示)采用ABAQUS有限元軟件，對方鋼管混凝土柱—鋼梁套筒連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)分析，從而研究節(jié)點(diǎn)的破壞特征和受力機(jī)理。

1 有限元模型建立

節(jié)點(diǎn)由方鋼管混凝土柱、工字形鋼梁、套筒等構(gòu)成，節(jié)點(diǎn)具體尺寸如表1所示，混凝土強(qiáng)度等級為C30。

鋼材本構(gòu)采用三線性模型，混凝土本構(gòu)采用韓林海教授[8,9]研究出的考慮鋼管約束效應(yīng)的方鋼管混凝土塑性損傷模型。鋼材與混凝土的本構(gòu)關(guān)系模型如圖2所示。

在單元劃分時，采用C3D8R單元模擬構(gòu)件中的混凝土和鋼材，即8節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元。所有結(jié)構(gòu)厚度方向至少3個單元(4個節(jié)點(diǎn))以保證結(jié)果的合理性，混凝土的網(wǎng)格比其他構(gòu)件的網(wǎng)格密，以方便接觸對的定義和計算。節(jié)點(diǎn)模型的單元劃分圖如圖3所示。

對于實(shí)際框架結(jié)構(gòu)，其上柱反彎點(diǎn)假定為豎直方向可移動的鉸，下柱反彎點(diǎn)假定為固定鉸；梁的反彎點(diǎn)可視為在水平方向能移動的鉸[10]。根據(jù)以上邊界條件：節(jié)點(diǎn)有限元模型在柱頂?shù)倪吔鐥l件為Ux=Uy=0，URy=URz=0；柱底邊界條件為Ux=Uy=Uz=0，URy=URz=0；梁端邊界條件為Ux=0，URy=URz=0。

表1 構(gòu)件尺寸

加載方式為先在柱頂施加軸向力，之后在梁端施加豎向荷載的方式。加載根據(jù)JGJ/T 101—2015建筑抗震試驗(yàn)規(guī)程[11]4.2條和4.4條相關(guān)規(guī)定進(jìn)行，其擬靜力加載示意圖和加載制度如圖4所示。

2 參數(shù)分析

分析的參數(shù)有套筒厚度、套筒高度、軸壓比及混凝土強(qiáng)度等級。通過控制變量法逐一對上述參數(shù)進(jìn)行分析，得到節(jié)點(diǎn)梁端荷載—位移曲線(P—Δ曲線)和滯回曲線。

2.1 套筒厚度

套筒厚度分別采用6 mm,8 mm,10 mm,12 mm,16 mm進(jìn)行有限元模擬研究。圖5為不同套筒厚度下節(jié)點(diǎn)荷載—位移曲線，圖6為不同套筒厚度對節(jié)點(diǎn)滯回曲線的影響。

結(jié)合圖5，圖6可以看出，當(dāng)套筒厚度小于10 mm時，增大套筒的厚度可以顯著提高節(jié)點(diǎn)的彈塑性段剛度和極限承載力(相比套筒厚度為6 mm時的節(jié)點(diǎn)極限承載力提升35%～95%)，但對節(jié)點(diǎn)的抗震性能無明顯影響；當(dāng)套筒厚度大于10 mm時，隨著套筒厚度的增加，節(jié)點(diǎn)的剛度和極限承載力相比套筒厚度為10 mm時無顯著提升，而滯回曲線出現(xiàn)較為明顯的捏縮現(xiàn)象，節(jié)點(diǎn)的抗震性能變差，說明此類節(jié)點(diǎn)在一定范圍內(nèi)可以通過增加套筒厚度提高節(jié)點(diǎn)彈塑性段剛度和極限承載力，但不宜過度增加套筒厚度，以免造成不必要的浪費(fèi)。

2.2 套筒高度

套筒高度分別取h0,1.2h0,1.5h0和1.8h0(h0=488 mm為套筒的初始高度)進(jìn)行研究，得到套筒高度對節(jié)點(diǎn)荷載—位移曲線和滯回曲線的影響分別如圖7，圖8所示。

結(jié)合圖7，圖8可以看出，套筒高度的增加對節(jié)點(diǎn)的剛度和極限承載力無明顯提升(9%以內(nèi))；而在一定范圍內(nèi)增加套筒的高度可以使節(jié)點(diǎn)滯回曲線更加飽滿，提高節(jié)點(diǎn)的耗能性能，但增加套筒的高度同時會導(dǎo)致套筒節(jié)點(diǎn)試件制作難度增加，因而在設(shè)計此類節(jié)點(diǎn)時可以適度提高節(jié)點(diǎn)套筒高度，以滿足節(jié)點(diǎn)抗震需求。

2.3 軸壓比

軸壓比是指柱的軸壓力設(shè)計值與柱的全截面軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值的比值。柱頂?shù)妮S力與對應(yīng)的軸壓比如表2所示。

表2 柱頂軸力

保持其他條件不變，通過改變柱頂軸力N研究軸壓比n對節(jié)點(diǎn)性能的影響，分別取軸壓比n為0.2,0.4,0.6和0.8進(jìn)行有限元模擬研究，得到軸壓比對節(jié)點(diǎn)荷載—位移曲線和滯回曲線的影響分別如圖9，圖10所示。

結(jié)合圖9，圖10可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)軸壓比不超過0.6時，節(jié)點(diǎn)的剛度和承載力與軸壓比是正相關(guān)的關(guān)系，而滯回曲線基本保持一致；當(dāng)軸壓比超過0.6時，節(jié)點(diǎn)的剛度和承載力與軸壓比呈負(fù)相關(guān)，滯回曲線開始出現(xiàn)明顯的“捏縮效應(yīng)”，抗震性能變差，可見節(jié)點(diǎn)的軸壓比控制在0.6時最佳。

2.4 混凝土強(qiáng)度等級

柱鋼管內(nèi)混凝土強(qiáng)度分別取C20,C25,C30,C40進(jìn)行有限元分析，得到混凝土強(qiáng)度等級對節(jié)點(diǎn)荷載—位移曲線和滯回曲線的影響分別如圖11，圖12所示。

結(jié)合圖11，圖12可以發(fā)現(xiàn)，柱鋼管內(nèi)混凝土強(qiáng)度的提高可以提升節(jié)點(diǎn)的剛度和極限承載力(7%～38%)；當(dāng)混凝土強(qiáng)度低于C40時，混凝土強(qiáng)度的改變不會影響節(jié)點(diǎn)的抗震性能，當(dāng)混凝土強(qiáng)度達(dá)到C40時，節(jié)點(diǎn)的骨架曲線荷載峰值點(diǎn)提高了20%。

3 結(jié)語

本文主要對方鋼管混凝土柱—鋼梁套筒連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了有限元參數(shù)分析，得到了以下結(jié)論：

1)套筒厚度對節(jié)點(diǎn)的剛度和極限承載力有著較為顯著的影響，但其增厚至一定程度后就不能作為影響剛度和承載力的主要參數(shù)。

2)套筒高度對節(jié)點(diǎn)的剛度和承載力無明顯影響，但在合理范圍內(nèi)增加套筒高度可以一定程度上改善節(jié)點(diǎn)的耗能性能，滿足抗震需求。

3)當(dāng)軸壓比小于0.6時，軸壓比的提高可以提升節(jié)點(diǎn)的剛度和承載力，但提升效果有限；當(dāng)軸壓比超過0.6時，節(jié)點(diǎn)的剛度和承載力下降，且滯回曲線出現(xiàn)“捏縮現(xiàn)象”，可見此類節(jié)點(diǎn)的軸壓比宜控制在0.6左右。

4)混凝土強(qiáng)度的增長可以提高節(jié)點(diǎn)的剛度和承載力，但對節(jié)點(diǎn)的抗震性能影響較小。