鋼管混凝土梁柱加強環(huán)螺栓節(jié)點受力性能優(yōu)化研究

石若利 潘志成 肖功杰 張軍 熊建漓 孫志穎

摘要：為研究具有不同構造形式的加強環(huán)螺栓連接節(jié)點的力學性能，基于網(wǎng)鋼管混凝土柱鋼梁外加強環(huán)螺栓連接節(jié)點單調加載試驗結果，采用合適的混凝土與鋼材本構模型，通過ABAous建立該類節(jié)點的三維精細化有限元分析模型;對比分析試驗和模型的受力特征和破壞形式，驗證了數(shù)值模型的可靠性;與加強環(huán)焊接剛接節(jié)點對比，通過對不同構造措施下的加強環(huán)螺栓連接節(jié)點進行數(shù)值模擬，分析結果表明：加強環(huán)上采用4排螺栓并加設腹板加勁肋和環(huán)板加勁肋的加強環(huán)螺栓連接節(jié)點可達到全焊加強環(huán)剛接節(jié)點的初始剛度和抗彎承載力。

關鍵詞：抗震結構;鋼管混凝土梁柱;外加強環(huán);螺栓連接;剛接節(jié)點;初始剛度

中圖分類號：TU352.11;TU375.4

文獻標志碼：A

文章編號：10044523（ 2022）01-0113-10

DOI： 10.1638 5/j .cnki.issn.10044523.2022.01.012

1 概 述

鋼管混凝土柱因其具有剛度大、承載力高、抗震性能好以及施工速度快等優(yōu)點，被廣泛應用到高層和超高層建筑結構中[1]。梁柱節(jié)點是影響結構整體性能的關鍵部位，目前已有不少學者對傳統(tǒng)的鋼管混凝土柱一鋼梁加強環(huán)節(jié)點（圖1（a））進行了深入研究。如Li等[2]進行了24個方形鋼管混凝土柱一鋼梁節(jié)點試驗和有限元分析，結果表明內(nèi)隔板外加強環(huán)節(jié)點的抗震性能最優(yōu);陳鵑等[3]開展了6個加強環(huán)節(jié)點的靜力性能試驗和有限元分析，表明部分環(huán)節(jié)點的剛度相當于整環(huán)節(jié)點剛度的89%;牟彝等[4]采用試驗研究分析了方形鋼管混凝土柱一不等深鋼梁外加強環(huán)節(jié)點，結果表明梁深比和鋼管寬厚比是控制整個節(jié)點屈服和抗剪強度的主要參數(shù)。上述研究表明傳統(tǒng)的外加強環(huán)全焊節(jié)點具有良好的剛度、承載能力與耗能能力。

1994年美國Northridge地震和1995年日本神戶地震的震后調查發(fā)現(xiàn)，鋼結構中采用傳統(tǒng)全焊的外環(huán)板式連接節(jié)點，因翼緣焊縫質量缺陷而發(fā)生了脆性破壞，而采用加強環(huán)翼緣螺栓連接節(jié)點并無影響，為此部分學者對鋼梁翼緣螺栓連接節(jié)點進行了研究。如Zhang等[5]設計了一種外加強環(huán)懸臂短梁翼緣蓋板螺栓連接節(jié)點，試驗和有限元分析顯示蓋板能產(chǎn)生較大的塑性變形，節(jié)點具備足夠的延性;Bagheri等[6]對加強環(huán)螺栓連接節(jié)點進行有限元分析，通過改變構造措施，發(fā)現(xiàn)垂直加勁肋和蓋板連接鋼梁和外加強環(huán)，可使節(jié)點具有更好的承載能力;Qin等[7]進行了傳統(tǒng)的焊接加強環(huán)節(jié)點和改良的螺栓加強環(huán)節(jié)點的靜力對比試驗研究，發(fā)現(xiàn)后者可以延緩下翼緣開裂且具有更好的承載力。

鋼結構中螺栓連接節(jié)點不僅避免了翼緣的焊接作業(yè)，而且符合裝配式建筑發(fā)展趨勢，圖1（b）所示新西蘭奧蘭克國際機場采用圓鋼管混凝土柱一鋼梁外加強環(huán)螺栓連接節(jié)點8I，為了考察該類型節(jié)點的受力性能，本文主要開展以下工作：（1）基于文獻[9]中2個圓鋼管混凝土柱一鋼梁外加強環(huán)螺栓連接節(jié)點單調加載試驗結果，探討其剛度、承載力和破壞模式;（2）采用混凝土三軸塑性本構模型與鋼材彈塑性本構模型，通過ABAQUS有限元軟件建立鋼管混凝土柱一鋼梁加強環(huán)螺栓節(jié)點的三維實體有限元模型并進行試驗驗證;（3）采用該有限元模型進行參數(shù)分析，對比傳統(tǒng)外加強環(huán)剛接節(jié)點，增設7種構造措施的算例以優(yōu)化加強環(huán)螺栓連接節(jié)點的受力性能，使之達到傳統(tǒng)外加強環(huán)剛接節(jié)點的要求。

2 試驗簡介

2.1 試件尺寸及材性

本文研究的2個鋼管混凝土柱一鋼梁螺栓連接外加強環(huán)邊柱節(jié)點[9]，尺寸與連接方法如圖2所示，節(jié)點由網(wǎng)形鋼管混凝土柱與鋼梁通過外加強環(huán)、螺栓、連接板、墊板連接組成，試件主要參數(shù)和鋼材材性性能[10]如表1和2所示。鋼材牌號均采用Q235B，柱高（H）為1700 mm，梁長（L）為1000 mm。2個節(jié)點的外環(huán)板和鋼梁通過安裝2排3列10.9級M20和M16高強螺栓連接，平均屈服強度（fy）為921 MPa，平均極限強度（fu）為1010 MPa。鋼管內(nèi)采用C40混凝土，其標準立方體平均抗壓強度（fcu）[11]為45.17 MPa。

2.2 加載裝置、制度及測點布置

節(jié)點加載裝置示意圖如圖3（a）所示。首先在柱頂豎向荷載施加恒定軸壓力為630 kN，對應的柱軸壓比（n）[12]1為0.16。然后，分3級進行預加載至預估最大荷載的10%，每級停歇5 min，再卸載到初始位置;正式加載階段，柱端采用水平位移控制，加載步驟為每級位移增量為5 mm，每級加載時間為5min，直到試件承載力下降到極限承載力的85%或節(jié)點有明顯的破壞現(xiàn)象時停止加載，加載制度如圖3（b）所示。鋼管柱、外環(huán)板和鋼梁等應變測點布置以及節(jié)點核心區(qū)上下側鋼管柱水平位移、環(huán)板變形和鋼梁翼緣撓度測點布置如圖4和5所示。

3 有限元模型與驗證

3.1 有限元模型

3.1.1 材料本構關系

單軸壓、拉混凝土本構模型采用Ding等[12]提出的表達式：

在混凝土單軸壓、拉本構模型的基礎上，在ABAQUS有限元軟件中通過設置參數(shù)形成混凝土三軸塑性一損傷本構模型，各參數(shù)取值如下：拉、壓子午線上第二應力不變量的比值為2/3，膨脹角為40°，流動偏角取0.1，雙軸等壓時混凝土的強度與單軸強度之比為1.225，黏性系數(shù)為0.005;混凝土的泊松比取值為0.2。

鋼管、鋼梁、端板和加勁肋的應力一應變關系取為[12]：

高強螺栓采用彈塑性三折線本構模型，其應力一應變關系取為[13]：式中 彈性階段的彈性模量Es=2.02×10 5 MPa，屈服應變εv=0.456%，極限應變εu=10%;高強螺栓的泊松比取值為0.3，強化階段的彈模（Esr）、屈服強度（fy）和極限強度（fu）按材性試驗數(shù)據(jù)取值。

3.1.2 界面模擬與網(wǎng)格劃分

外加強環(huán)板與鋼管、連接板與鋼管采用綁定約束，鋼管和混凝土、鋼梁和環(huán)板以及螺栓采用庫倫摩擦型接觸[14]，螺栓桿與螺栓孔間的摩擦系數(shù)取0.2，鋼梁與外加強環(huán)板、鋼梁與墊板、鋼梁與螺帽、螺帽與連接板、螺帽與外加強環(huán)板、螺帽與墊板的摩擦系數(shù)取0.35，鋼管與混凝土的摩擦系數(shù)取0.5。通過單元類型的靈敏度分析，節(jié)點試件各部件均采用八節(jié)點減縮積分格式的三維實體單元（C3D8R），無論是粗網(wǎng)格還是細網(wǎng)格都能提供好的收斂結果。單元網(wǎng)格劃分時，通過網(wǎng)格靈敏度分析，本文采用100，50和20 mm三種網(wǎng)格尺寸來建立模型，能獲得更好的計算精度。有限元模型如圖6所示。

3.1.3 邊界條件與加載方式

三維實體節(jié)點模型采用與試驗一致的邊界條件：柱底按鉸接模擬，即X，y，Z三個方向的位移均設置為0，柱頂設置X，y兩個方向的位移和繞Z軸的轉動約束，鋼梁端部約束X方向的位移，繞y軸和Z軸旋轉。在分析步中設置6步，其中第1～4步用于激活邊界條件，同時施加螺栓預緊力155 kN[15];第5步將預緊力固定在當前長度，并在柱端施加軸壓力;第6步中，在柱端X方向輸入側向位移。

3.2 有限元驗證

3.2.1 破壞特征對比

單調加載過程中節(jié)點CFST-IS的破壞過程如下：（1）柱端加載初期，荷載和位移關系基本成正比，節(jié)點表現(xiàn)為彈性工作狀態(tài);（2）繼續(xù)加載使得梁翼緣與環(huán)板開始出現(xiàn)相對滑移，并伴隨滑移響聲;（3）隨著荷載的加大，試件進入屈服階段，其外環(huán)板外側鋼梁腹板處出現(xiàn)豎向屈服線條紋與橫向屈服條紋（圖7（a））;（4）當?shù)竭_極限承載力之后，節(jié)點破壞出現(xiàn)在加強環(huán)外側鋼梁翼緣及腹板上，表現(xiàn)為梁端出現(xiàn)塑性鉸而破壞（圖7（b））;有限元模擬試件的破壞形態(tài)與試驗結果基本吻合，如表3和圖7所示。

節(jié)點CFST-2S，由于鋼梁截面變小，且加強環(huán)和翼緣連接處無墊板，其破壞過程如下：（l）加載初期，與節(jié)點CFST-IS表現(xiàn)出相近的試驗現(xiàn)象;（2）繼續(xù)加載，在加強環(huán)外側鋼梁腹板比翼緣先出現(xiàn)屈服條紋，鋼梁受壓翼緣產(chǎn)生屈曲變形（圖8（a））;（3）結合有限元模擬，發(fā)現(xiàn)節(jié)點破壞為鋼梁腹板受剪和鋼梁受壓翼緣屈曲所致，如表3和圖8所示，模擬結果與試驗也基本吻合。

3.2.2 彎矩一轉角曲線對比

根據(jù)文獻中[16]的通用彎矩屈服法（如圖9所示）來定義節(jié)點屈服彎矩My和屈服轉角θy，以及最高點對應的極限彎矩Mmax和極限轉角θmax，Mu和θu為試件的破壞荷載及破壞轉角，其中節(jié)點彎矩M定義為水平荷載與加載點到鋼梁中心線距離的乘積，節(jié)點轉角θ為柱端轉角θ。與梁端轉角θb之差決定，而梁端和柱端轉角為對應位移計測量值與位移計擺放距離的商，Mu=0.85Mrnax。采用轉角位移延性系數(shù)μθ[16]來研究節(jié)點的延性特征，即：μθ=θn/θu，如表4所示。與CFST-2S節(jié)點比較，CFST-IS節(jié)點鋼梁截面增大并增設墊板，極限承載力增大80%，但CFST-IS節(jié)點達到極限承載力之后節(jié)點承載力退化顯著，延性低。兩節(jié)點CFST-IS、CFST-2S有限元計算曲線與試驗曲線的比較如圖10所示，兩者吻合較好，因節(jié)點CFST-IS增大梁高和增設墊板，有限元模擬的承載力并沒有出現(xiàn)顯著的退化。初始剛度、屈服彎矩、極限彎矩、破壞彎矩的比較如圖11和表4所示，可見兩者的誤差在10%以內(nèi)，其中初始剛度Sint定義為彎矩達到承載力20%時對應的抗彎剛度。

3.2.3 應變一位移曲線對比

圖12為有限元模型與試驗在關鍵點處應變一位移曲線的對比，可見兩者的應變規(guī)律基本一致，但由于模型是在理想狀態(tài)下建立的，沒有考慮環(huán)境溫度、節(jié)點柱底端銷軸滑移、柱頂滑動支座摩擦、焊縫等因素的影響，兩者不完全吻合。對比各部件關鍵點處的應變，發(fā)現(xiàn)鋼管應變小于加強環(huán)板和鋼梁的應變，鋼管基本處于彈性階段，鋼梁翼緣因加載后期形成塑性鉸，應變值增大明顯。

4 有限元參數(shù)分析

4.1 節(jié)點優(yōu)化及其構造措施

為進一步提升該類節(jié)點的受力性能，使得加強環(huán)螺栓節(jié)點的剛度和承載力能達到傳統(tǒng)的加強環(huán)全焊接剛接節(jié)點的效果，以節(jié)點CFST-IS為參照（因墊板存在使得該類節(jié)點受力性能更好），采取優(yōu)化節(jié)點性能的構造措施，設計了7個外加強環(huán)高強螺栓連接節(jié)點和1個加強環(huán)全焊接節(jié)點算例，模型編號為GZ-I-G2-7和CGJ，如表5所示。

4.2 應力與應變分析

由圖13可見，對于加強環(huán)螺栓連接節(jié)點，其主拉應力與主壓應力峰值在鋼梁上下翼緣與加強環(huán)板端交界處，同時向節(jié)點區(qū)域內(nèi)、外發(fā)散;對于加強環(huán)焊接剛接節(jié)點，主拉應力與主壓應力均從加強環(huán)與鋼管連接處向外發(fā)散。圖14所示為模型鋼梁應變沿梁高的分布規(guī)律，其中縱坐標負值為壓應變，正值為拉應變;可見增設腹板加勁肋和增設環(huán)板加勁肋能明顯抑制節(jié)點區(qū)域鋼梁截面受壓區(qū)的應變，增加螺栓排數(shù)也能有效抑制節(jié)點區(qū)域鋼梁截面的應變。上述構造措施使得節(jié)點破壞時梁端塑性鉸外移。

4.3 剛度與承載力分析

算例CGJ和CFST-IS-FEM以及GZ-1--G2-7的彎矩一轉角曲線、剛度和承載力的對比如圖15和表6所示?？梢姡海╨）比較G2-2與G2-5，G2-3與G2-6，增設腹板加勁肋能限制加強環(huán)板外側鋼梁腹板、翼緣屈曲變形，提高節(jié)點承載力;（2）比較CFST-IS-FEM與G2-2，G2-5與G2-7，在環(huán)板上增設加勁肋，節(jié)點初始剛度分別提升10.7%，11.3%和18.5%，同時限制環(huán)板和翼緣相對滑移，曲線滑移段消失;（3）增加外加強環(huán)板螺栓排數(shù)對節(jié)點的剛度和承載力的提高均能達到11%左右;（4）節(jié)點G2-4和G2-7剛度分別達到剛接節(jié)點CGJ的97%和100%，承載力分別達到剛性節(jié)點CGJ的103%和106%，可以作為剛接節(jié)點。

4.4 節(jié)點連接特性分析

歐洲規(guī)范EC3 Part1-8[17]根據(jù)節(jié)點剛度和強度分為鉸接、半剛性連接和剛性連接等三類節(jié)點，該方法關于半剛性節(jié)點的定義過于寬廣而不夠實用。本文將所有的加強環(huán)螺栓節(jié)點與加強環(huán)焊接剛接節(jié)點CGJ對比，對外加強環(huán)螺栓連接節(jié)點的連接特性按表7進行細化分類，結果表明算例節(jié)點G2-4和G2-7能達到剛接節(jié)點的效果。

5 結論

本文建立了圓鋼管混凝土柱一鋼梁外加強環(huán)螺栓連接節(jié)點的數(shù)值模型，并與已有試驗結果進行對比，驗證了數(shù)值模型的有效性。為進一步提升該類節(jié)點的受力性能，通過數(shù)值模型的參數(shù)分析，詳細研究了半剛性節(jié)點的細化分類，可得出以下結論：

（1）數(shù)值分析得到的單調荷載作用下圓鋼管混凝土柱一鋼梁外加強環(huán)螺栓連接節(jié)點的彎矩一位移單調曲線、破壞形態(tài)與試驗結果吻合良好，數(shù)值模型可較準確模擬該類型節(jié)點的受力性能。

（2）采用有限元模型對節(jié)點的構造參數(shù)進行分析，結果表明設置加勁肋和合理匹配螺栓的排數(shù)能有效限制環(huán)板和翼緣相對滑移，也能明顯提高節(jié)點的剛度和承載力。

（3）加強環(huán)上采用4排螺栓并加設腹板加勁肋和環(huán)板加勁肋的鋼管混凝土柱一鋼梁外加強環(huán)螺栓連接節(jié)點可達到加強環(huán)全焊剛接節(jié)點的效果。

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