矩形鋼管混凝土柱貫通隔板弱軸方向傳力研究

費(fèi)建偉,李志安,楊紅亮,劉飛東,王 群,曹本富,孫忠偉

(浙江中南建設(shè)集團(tuán)鋼結(jié)構(gòu)有限公司，浙江 杭州 310052)

矩形鋼管混凝土柱是指在矩形鋼管中填充混凝土且鋼管及其核心混凝土能共同承受外荷載作用的豎向承重構(gòu)件[1],它具有強(qiáng)度高、剛度大、延性好和耗能能力強(qiáng)、制作和施工方便、經(jīng)濟(jì)效果好等諸多優(yōu)點(diǎn)[2-3]。矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在高層及超高層建筑中具有很好的應(yīng)用前景,現(xiàn)已受到國(guó)內(nèi)外工程領(lǐng)域的普遍重視[4]。在多高層建筑中,矩形鋼管混凝土柱通過(guò)節(jié)點(diǎn)與梁等水平構(gòu)件連接組成抵御地震作用的抗側(cè)力體系,所以鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)的計(jì)算方法和構(gòu)造措施是應(yīng)用中必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題[5]。

現(xiàn)在鋼管混凝土柱剛性節(jié)點(diǎn)主要有內(nèi)隔板節(jié)點(diǎn)、外隔板節(jié)點(diǎn)、外肋環(huán)板節(jié)點(diǎn)和隔板貫通節(jié)點(diǎn)四種節(jié)點(diǎn)形式。隔板貫通節(jié)點(diǎn)是在矩形鋼管內(nèi)設(shè)隔板,隔板貫通鋼管壁,鋼管與隔板焊接；鋼梁腹板與柱管壁采用高強(qiáng)螺栓通過(guò)連接板連接,鋼梁翼緣與外伸的內(nèi)隔板焊接[6]。隔板貫通節(jié)點(diǎn)雖然須將鋼管柱在節(jié)點(diǎn)處斷開(kāi),增加了節(jié)點(diǎn)區(qū)焊縫的長(zhǎng)度,但與內(nèi)隔板節(jié)點(diǎn)相比,解決了管柱邊長(zhǎng)較小時(shí)隔板焊接困難問(wèn)題和梁翼緣與隔板對(duì)中問(wèn)題,與外隔板節(jié)點(diǎn)相比,解決了因隔板太大墻板安裝困難問(wèn)題,避免了室內(nèi)角部有凸角現(xiàn)象[7]。但隔板貫通式節(jié)點(diǎn)在施工中存在澆筑不方便的問(wèn)題,隔板孔徑越大,鋼管內(nèi)混凝土越容易澆灌密實(shí),可是過(guò)大的內(nèi)孔徑會(huì)削弱隔板有效受力面積,降低隔板的承載能力[8]。

因此，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)方鋼管混凝土貫通隔板節(jié)點(diǎn)的隔板孔做了研究。Matsui[9]對(duì)方鋼管混凝土柱外隔板節(jié)點(diǎn)和隔板貫通節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究,分別提出了兩種節(jié)點(diǎn)的容許抗彎承載力計(jì)算公式,被日本建筑學(xué)會(huì)的 AIJ(1987)規(guī)程所采納,但兩種方法均忽略了鋼管對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力的貢獻(xiàn)。Shim等[10]以?xún)?nèi)隔板開(kāi)口尺寸等為考察的主要參數(shù),進(jìn)行了鋼管混凝土柱與鋼梁節(jié)點(diǎn)的靜力及滯回性能試驗(yàn)研究,研究表明內(nèi)隔板圓孔的開(kāi)口率達(dá)到50%,試件的強(qiáng)度幾乎不會(huì)降低。苗紀(jì)奎等[11]對(duì)方鋼管混凝土隔板貫通節(jié)點(diǎn)進(jìn)行研究,研究認(rèn)為隔板厚度宜大于或等于梁翼緣厚度,建議澆筑孔徑R取值范圍為：a-bf≤R≤bd-bf(其中a為鋼管混凝土柱的邊長(zhǎng)；bf為梁翼緣的寬度；bd為隔板的寬度)。

國(guó)內(nèi)外的專(zhuān)家學(xué)者主要是針對(duì)方鋼管混凝土隔板貫通節(jié)點(diǎn)孔研究較多,但對(duì)矩形鋼管混凝土柱弱軸方向的隔板孔的研究卻很少。然而矩形鋼管混凝土柱在現(xiàn)在的鋼結(jié)構(gòu)工程中應(yīng)用普遍,所以對(duì)矩形鋼管混凝土弱軸方向隔板孔的研究很有必要。

1 矩形鋼管混凝土柱隔板構(gòu)造設(shè)計(jì)

目前規(guī)范對(duì)于鋼管混凝土柱隔板設(shè)置灌漿孔都是采用居中的圓孔形式,四角部設(shè)置透氣孔,不論是方管還是矩形管,都是相同開(kāi)孔形式,且在規(guī)程上給出了隔板承載力計(jì)算公式,可以方便工程師應(yīng)用。隨著國(guó)家裝配式建筑的推進(jìn),鋼結(jié)構(gòu)住宅也得到了發(fā)展和應(yīng)用。對(duì)于鋼管混凝土柱,采用矩形鋼管較方管更適合居住建筑,能很好地解決露柱問(wèn)題；但是伴隨而來(lái)的問(wèn)題是矩形管弱軸方向剛接梁節(jié)點(diǎn)構(gòu)造問(wèn)題,目前有采用豎板連接的構(gòu)造方式。該連接構(gòu)造將翼緣內(nèi)力通過(guò)豎板進(jìn)行轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)的彎矩傳遞；在住宅結(jié)構(gòu)中若采用外隔板節(jié)點(diǎn),勢(shì)必隔板露出需要包覆,影響建筑視覺(jué)感官；若采用隔板貫通節(jié)點(diǎn),則傳統(tǒng)的居中圓孔構(gòu)造方式,使得孔開(kāi)不大。這勢(shì)必影響混凝土灌漿,因此改變了開(kāi)孔方式,改為矩形孔或長(zhǎng)圓孔形式。見(jiàn)圖1。

圖1 隔板貫通節(jié)點(diǎn)

2 節(jié)點(diǎn)受力機(jī)理分析

隔板在鋼梁翼緣的拉力作用下,假設(shè)為局部均布荷載作用,為約束梁的計(jì)算模型。隔板的約束情況比較復(fù)雜,兩側(cè)面壁板約束較強(qiáng),可以認(rèn)為是固端約束,正面壁板對(duì)隔板為彈性約束,兩者會(huì)共同變形,因此翼緣荷載按兩者的剛度進(jìn)行分配。隔板的計(jì)算模型見(jiàn)圖2,壁板的計(jì)算模型見(jiàn)圖3。

圖2 隔板受力模型

圖3 壁板受力模型

取柱子截面口a×c×t,a為鋼管柱截面長(zhǎng),c為鋼管柱截面寬,t為鋼管柱厚度；隔板厚度為d,外伸寬度為n,則隔板受力模型假定為兩端固端梁,固端梁跨度為l,灌漿孔寬度為f,固端梁截面高度為h=(c+2n-f)/2,固端梁截面寬度即隔板厚度為d。鋼梁翼緣寬度一般小于固端梁跨度,即作用在固端梁跨間局部范圍。假定作用力均布分布在固端梁跨度范圍,則固端梁在單位均布荷載作用下跨中撓度為v1=l4/384EI,則剛度為k1=384EI/l4,其中,I=dh3/12。

3 算 例

某矩形鋼管混凝土柱的截面高a為350 mm,寬c為170 mm的扁柱,壁厚t為12 mm,弱軸方向連接鋼梁,鋼梁翼緣寬度bf為150 mm,厚度tf為10 mm,隔板厚度d為14 mm,壁板影響高度b為158 mm,鋼材屈服強(qiáng)度f(wàn)y為345 MPa,灌漿孔長(zhǎng)度L為280 mm,灌漿孔寬度f(wàn)為100 mm。則固端梁高度h=60 mm,固端梁慣性矩I=252 000 mm4,固端梁剛度k1=3 243 N/mm,壁板單位抗彎剛度D=32 597 802 N·mm,a/b=2.215,根據(jù)鐵木辛柯《板殼理論》[12]求得m=0.002 64,則壁板剛度k2=3 129.6 N/mm,則壁板上作用的力F2=254 139 N,隔板上作用的力F1=263 360 N,則壁板上作用的線荷載q2=726.1 N/mm,隔板上作用的線荷載q1=940.6 N/mm。

將上述構(gòu)件采用有限元軟件進(jìn)行實(shí)體建模及數(shù)值分析,有限元模型見(jiàn)圖4。經(jīng)分析得知,當(dāng)翼緣達(dá)到全截面屈服狀態(tài)時(shí),隔板剪應(yīng)力云圖見(jiàn)圖5。鋼梁與隔板的等效應(yīng)力云圖分別見(jiàn)圖6、圖7。

圖4 有限元模型

圖5 隔板剪應(yīng)力

圖6 鋼梁等效應(yīng)力

圖7 隔板等效應(yīng)力

從圖5可知有限元模擬得到的剪應(yīng)力與簡(jiǎn)化公式求得的剪應(yīng)力相當(dāng),因此可采用上述公式進(jìn)行隔板承載力驗(yàn)算；由圖6與7可知,當(dāng)鋼梁屈服時(shí),隔板在開(kāi)孔壁上的受拉區(qū)與受壓區(qū)進(jìn)入屈服,也由固端梁的受力模型可以知道位于固端梁的跨中和端部。

4 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)于矩形鋼管混凝土柱,弱軸方向截面高度較小,隔板貫通節(jié)點(diǎn)能較好傳遞鋼梁彎矩,但傳統(tǒng)灌漿孔方式孔徑較小,對(duì)于混凝土灌漿很不利。改變了傳統(tǒng)的灌漿孔,改為矩形孔,增大了灌漿孔開(kāi)孔面積,由此帶來(lái)的問(wèn)題是隔板承載力計(jì)算沒(méi)有現(xiàn)成公式。通過(guò)對(duì)隔板與壁板的變形協(xié)調(diào)分析,得出了隔板的受力機(jī)理。推導(dǎo)相關(guān)公式,并采用有限元數(shù)值模擬進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)算,結(jié)果是兩者吻合較好。下一步改進(jìn)灌漿孔,由矩形孔改為長(zhǎng)圓孔,是否會(huì)改善直角處的應(yīng)力集中,有待進(jìn)一步研究。