鋼管混凝土梁柱外加強環(huán)板節(jié)點在裝配式住宅中的應(yīng)用研究

未曉麗 WEI Xiao-li；張永玲 ZHANG Yong-ling；喬茂珂 QIAO Mao-ke；李濤 LI Tao

（①河西學(xué)院土木工程學(xué)院，張掖 734000；②張掖市第一建筑工程有限責任公司，張掖 734000）

0 引言

近年來，隨著社會的進步、技術(shù)的不斷創(chuàng)新、可持續(xù)發(fā)展觀念的不斷深入及勞動力成本的急劇提高，住宅工業(yè)化的需求迫在眉睫。自2016年9月國務(wù)院辦公廳發(fā)布《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》[1]后，國家及地方先后出臺了一系列有關(guān)發(fā)展裝配式建筑的政策綱要，為裝配式建筑發(fā)展提供指導(dǎo)意見。2021年10月，中共中央、國務(wù)院印發(fā)了《關(guān)于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》[2]，其中明確指出：在城鄉(xiāng)規(guī)劃建設(shè)管理各環(huán)節(jié)全面落實綠色低碳要求。這為裝配式建筑在住宅中的發(fā)展明確了方向，裝配式建筑成為未來住宅建筑發(fā)展的必由之路。

裝配式鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)體系相對于發(fā)展比較成熟的裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系和裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系來說，是一種新型結(jié)構(gòu)體系，具有承載能力高、塑性和韌性好、制作和施工方便、耐火性能好及經(jīng)濟效益好等優(yōu)點[3]。

1 新型裝配式鋼管混凝土梁柱節(jié)點構(gòu)造

傳統(tǒng)鋼管混凝土組合框架結(jié)構(gòu)的梁柱節(jié)點一般為整體式，節(jié)點構(gòu)造如圖1所示：鋼梁及外加強環(huán)板與鋼管柱焊接、鋼梁之間焊接，導(dǎo)致現(xiàn)場焊接作業(yè)量較大，核心混凝土的澆筑也在現(xiàn)場完成，施工周期相對長、生產(chǎn)效率相對較低。

圖1 整體式鋼管混凝土梁柱外加強環(huán)板節(jié)點構(gòu)造圖

為了提高現(xiàn)場裝配率，根據(jù)《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB50936-2014）[4]，設(shè)計了一種十字形方鋼管混凝土柱-鋼梁外加強環(huán)板節(jié)點，節(jié)點構(gòu)造如圖2所示：鋼管混凝土柱與鋼梁及加強環(huán)板在工廠連接為整體，形成鋼管混凝土柱鋼梁節(jié)點域，現(xiàn)場只進行節(jié)點域梁端與鋼梁焊接連接，即圖2（b）和（c）所示部分的連接，較大程度地減少了現(xiàn)場焊接作業(yè)，縮短相應(yīng)施工周期。為了驗證提出的新型節(jié)點在裝配式住宅中應(yīng)用的可行性，建立了該類節(jié)點的有限元數(shù)值計算模型，對節(jié)點在柱頂豎向恒載和水平位移共同作用工況下的力學(xué)響應(yīng)進行模擬。

圖2 新型鋼管混凝土梁柱外加強環(huán)板節(jié)點構(gòu)造圖

2 新型裝配式鋼管混凝土梁柱節(jié)點有限元模型

與傳統(tǒng)的外加強環(huán)板節(jié)點相比，新型節(jié)點裝配過程中一個重要的參數(shù)就是鋼管混凝柱鋼梁節(jié)點域梁端延伸長度a，如圖2（b）中所示。為分析具有不同延伸長度的節(jié)點對梁柱力學(xué)性能的影響，本文應(yīng)用ABAQUS有限元軟件建立包含不同延伸長度節(jié)點的梁柱模型，模擬柱頂恒載和水平位移共同作用工況下梁柱力學(xué)響應(yīng)。本文分別取延伸長度a等于80mm（1.1bf），100mm（1.3bf），120mm（1.6bf），200mm（2.7bf），280mm（3.7bf）（其中bf為梁寬），建立JD-S1至JD-S5 5個節(jié)點有限元模型（節(jié)點其他幾何參數(shù)不變），節(jié)點詳細尺寸信息如表1所示。

表1 JD-S系列節(jié)點尺寸基本信息

2.1 模型的建立

在建立的有限元模型中，鋼管、鋼梁、混凝土、加強環(huán)板均采用實體建模，鋼管及鋼梁材性選用韓林海（2007）[5]中二次塑流模型，強度選用Q345低碳合金鋼。核心混凝土強度等級選用C40，本構(gòu)模型選用ABAQUS中自帶的混凝土塑性損傷模型。如圖2（a）所示，鋼管混凝土柱鋼梁節(jié)點域與鋼梁連接采用現(xiàn)場焊接的連接方式，需要預(yù)留10mm寬的焊縫。焊接時因為試件受熱不均導(dǎo)致連接部位存在一定的殘余應(yīng)力，因此本文考慮了焊接的殘余應(yīng)力對結(jié)果的影響。在ABAQUS中進行焊縫模擬時，需要定義對流和熱輻射兩個邊界條件。由于在焊接過程中，受焊縫處熱源影響，整個鋼材表面與周圍環(huán)境進行傳熱，所以選取鋼管及鋼梁的所有外表面為對流熱表面，具體熱物理參數(shù)見表2。

表2 Q345鋼主要熱物理參數(shù)

由于本文重點不在于分析由于焊接造成的鋼材殘余應(yīng)力的分布規(guī)律，故對熱荷載的施加進行簡化模擬，熱流密度按照平均熱流密度作用于焊縫處。熱源模型采用高斯分布模型，熱源以熱流密度的形式施加在焊縫表面。熱流密度參考高磊[6]通過下式計算：

式中：Q為輸入熱量；η為效率；U為焊接電壓；I為焊接電流；R為電弧有效加熱半徑；r為計算位置到高斯熱源模型中心的距離。

2.2 模型驗證

為了驗證模擬方法的正確性，本文建立了王文達[7]中鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點有限元模型，模擬了其在柱頂豎向恒載及水平位移作用下力學(xué)行為。模擬得到的結(jié)果與王文達[7]中實驗結(jié)果吻合較好，如圖3所示。證明本文采取的模擬方法是正確有效的。

圖3 節(jié)點水平荷載-位移骨架曲線（王文達[7]）

2.3 新型節(jié)點單調(diào)加載分析

2.3.1 梁柱邊界條件及加載方式

按照上述方法建立梁柱模型，邊界條件如圖4所示：柱底約束三個方向自由度，柱頂約束一個方向自由度，梁兩端均約束兩個方向自由度。柱頂端建立參考點，施加一豎向恒定軸力F=440kN，同時柱頂施加一水平位移u=100mm。

圖4 新型鋼管混凝土梁柱節(jié)點邊界條件示意圖

2.3.2 結(jié)果分析

按照上述方法加載完成后提取節(jié)點柱頂荷載-位移曲線，結(jié)果如圖5所示。由圖5可看出，JD-S1～JD-S5柱頂荷載-位移曲線的彈性段基本重合，但隨著延伸長度的增大，極限承載力逐漸增大；隨著延伸長度的增大，曲線下降的幅度也有所不同，當延伸長度取280mm時，下降幅度明顯，但總體變化幅度不大。分析其原因是由于節(jié)點域梁-梁焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力對節(jié)點承載力的影響，焊縫越靠近節(jié)點域，節(jié)點承載力降低的越明顯；而焊縫越遠離節(jié)點域，節(jié)點的位移延性則越小。

圖5 JD-S系列節(jié)點單調(diào)加載P-Δ曲線

參考王文達[7]和韓林海[5]對鋼管混凝土節(jié)點中柱頂極限荷載（Pu=0.85Pmax）、柱頂極限位移（Pu對應(yīng)位移）、柱頂屈服荷載（Py=0.7Pmax）和屈服位移（Py對應(yīng)位移）的定義，將模擬得到的結(jié)果進行對比，如表3所示。結(jié)果表明：隨著節(jié)點域延伸長度的增大，節(jié)點柱頂?shù)臉O限荷載逐漸增加；隨著節(jié)點域延伸長度的增大，節(jié)點的屈服位移Δy逐漸減小，說明其屈服狀態(tài)提前，同時破壞位移Δu相應(yīng)減小，反映了位移延性隨節(jié)點域延伸長度增大而降低的趨勢。

表3 JD-S系列節(jié)點P-Δ曲線

3 結(jié)論

基于以上分析和研究，可得到以下結(jié)論：

①提出的新型節(jié)點裝配方式采用節(jié)點域梁-梁焊接，通過數(shù)值模擬可知，焊接殘余應(yīng)力會影響節(jié)點的極限承載力及位移延性，但影響幅度不大。

②隨著節(jié)點域延伸長度的增大，節(jié)點的極限承載力提高，但位移延性呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，雖變化幅度不大，但考慮到節(jié)點域延伸長度過長不便于運輸，建議延伸長度a不大于3bf。