新型裝配式槽鋼連接節(jié)點有限元分析

李 斌，趙 翔

（內(nèi)蒙古科技大學，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

目前，鋼-混凝土組合框架結構在建筑領域被廣泛使用，其中以鋼管混凝土柱最具代表性，其良好的性能很好地滿足了結構的承載力和抗震的要求。同時，鋼管混凝土結構較為經(jīng)濟高效，與純鋼結構相比，鋼管混凝土結構能節(jié)約50%的鋼材[1]，和鋼筋混凝土結構相比，節(jié)約50%以上的混凝土。這和國家大力推廣的綠色建筑的要求相吻合。因為“強節(jié)點，弱構件”的設計需要，鋼管混凝土柱和鋼梁連接節(jié)點有著至關重要的作用，關系著結構能否可靠傳力，以及安全經(jīng)受地震的考驗。在現(xiàn)有的鋼管混凝土節(jié)點中，最常見的破壞特征就是焊接節(jié)點焊縫處出現(xiàn)脆性破壞[2-3]。針對焊接節(jié)點易出現(xiàn)脆性破壞的問題，許多學者提出了解決方案，其中諸多方案都采用栓接代替焊接的方法。汪青杰等[4]提出一種鋼管混凝土柱與型鋼梁連接節(jié)點，通過試驗對比分析，得出了方形環(huán)板比圓形環(huán)板承載力更高。王培成等[5]提出貫隔式鋼管混凝土柱-H 型鋼梁節(jié)點，通過試驗研究，隔板貫通式節(jié)點具有良好的抗震性能。Yang 等[6]對全焊接節(jié)點和高強螺栓節(jié)點進行了低周反復荷載試驗，主要是對比螺栓連接節(jié)點和焊接節(jié)點的滯回性能試驗。試驗結果表明，與焊接連接相比，高強螺栓連接的初始剛度提升了39%，極限承載力提高了28.3%。

基于國外的“剪切保險絲”連接[7]，提出了新型方鋼管混凝土柱-H 型鋼梁雙槽鋼連接節(jié)點的構造形式，可以有效避免梁柱連接處焊接產(chǎn)生的脆性破壞問題，且設置的槽鋼連接件也避免了以往全螺栓節(jié)點連接在柱壁上開孔的缺陷;采用Abaqus 有限元軟件對其進行低周反復加載，從滯回性能和耗能能力，研究此類節(jié)點的抗震性能。

1 方鋼管混凝土柱-H 鋼梁雙槽鋼連接節(jié)點設計

對文獻[7]的剪切保險絲連接節(jié)點進行部分改進，將4 塊連接板改進為2 個槽鋼連接件，目的是增加節(jié)點的剛度，同時減少4 塊連接板焊接定位的難度。方鋼管混凝土柱-H 型鋼梁雙槽鋼連接節(jié)點主要由6 個基本部分組成，即：方鋼管混凝土柱、H 型鋼梁、槽鋼連接件、翼緣連接板、腹板連接板和高強螺栓。節(jié)點試件梁長1 300 mm，柱長1 800 m。槽鋼連接件為焊接，腹板和翼緣厚度一致，均為14 mm。節(jié)點參數(shù)見表1。節(jié)點模型如圖1 所示。鋼材選用Q235 鋼，鋼管柱內(nèi)填充C40 混凝土，螺栓采用10.9 級M20 高強摩擦型螺栓。上下翼緣的拉力由梁翼緣通過翼緣連接板傳遞到槽鋼連接件再傳遞到柱腹板上，經(jīng)過計算翼緣連接板上螺栓數(shù)量確定為16 個。H 型鋼梁上的剪力通過腹板連接板傳遞到柱翼緣上，經(jīng)過計算，腹板連接板上需要2個M20 高強螺栓。每個螺栓根據(jù)GB 50017—2017《鋼結構設計標準》，施加155 kN 的預緊力。槽鋼連接件和方鋼管混凝土柱之間采用三面圍焊，焊腳尺寸經(jīng)過計算取12 mm。腹板連接板和柱翼緣采用全熔透對接焊縫。

圖1 節(jié)點模型

表1 節(jié)點試件的尺寸和參數(shù)

2 有限元模型的建立

2.1 單元類型和邊界條件

采用有限元分析軟件Abaqus 建立節(jié)點有限元模型。對于有限元分析的網(wǎng)格模型，ABAQUS 提供大量單元庫，方便使用者使用，其幾乎能模擬出實際工程中任一種幾何形狀有限元模型，當分析某一問題時，可根據(jù)具體情況，擇優(yōu)選用。本模型的所有實體單元類型均選用八點減縮積分三維實體單元（C3D8R），該種單元可以有效避免有限元計算中出現(xiàn)沙漏現(xiàn)象，計算結果較為精確。具體網(wǎng)格劃分如圖1 所示。

邊界條件參考實際試驗，如圖2 所示，在柱反彎點處鉸接。首先在模型的柱端和梁端都添加參考點，然后將梁柱端面與參考點耦合，在參考點上添加邊界條件。模型柱端邊界條件柱下端為U1=U2=U3=0，上端U1=U2=0。模擬的實際試驗是采用梁端加載，因此梁端的邊界條件為U1=0，U2≠0，U3≠0，UR2=UR3=0，UR1≠0，目的是在梁端U3 方向施加低周反復荷載，并且保證梁在加載時不出現(xiàn)平面外失穩(wěn)。

圖2 邊界條件

2.2 材料本構和接觸關系

有限元模型Q235 鋼材和10.9 級M20 高強螺栓采用的本構模型均為雙折線模型[8-9]。由于鋼管壁對混凝土側(cè)向約束作用，C40 混凝土本構采用劉威[10]提出的混凝土應力－應變關系模型。鋼材之間采用Contact 模擬構件之間的摩擦，摩擦系數(shù)為0.3，鋼材與混凝土之間摩擦系數(shù)為0.6。焊接連接部位采用Tie 綁定連接[11]。

3 有限元結果分析

根據(jù)有限元試算結果，試件首先在螺栓孔位置處出現(xiàn)高應力區(qū)，隨著螺栓預緊力的增加，螺栓孔附近應力迅速增加。當加載到20 mm，節(jié)點高應力區(qū)向梁翼緣與翼緣連接板相接位置處擴展。加載到40 mm，可以清楚地看到梁翼緣拉力通過翼緣連接板、槽鋼連接件傳到了柱腹板上。加載到80 mm，柱腹板應力緩慢增長，梁上應力發(fā)展較快。加載到100 mm，梁和翼緣連接板交界位置出現(xiàn)塑性鉸，最大變形也發(fā)生在此處，節(jié)點核心區(qū)未發(fā)生破壞，符合“強節(jié)點，弱構件”的設計原則。

3.1 軸壓比

不同軸壓比下節(jié)點的滯回曲線如圖3 所示，可以看出滯回曲線較為飽滿，呈弓形。有一定的捏縮現(xiàn)象，這是由于螺栓滑移造成的。隨著軸壓比增大，節(jié)點滯回曲線最大荷載幾乎不變，說明軸壓比變化對節(jié)點的承載力影響不大。節(jié)點的飽滿程度隨著軸壓比增大而減小。

圖3 不同軸壓比節(jié)點滯回曲線

不同軸壓比下節(jié)點的等效粘滯阻尼系數(shù)如圖4 所示，等效黏滯阻尼系數(shù)越大反映節(jié)點的耗能能力越好。對比發(fā)現(xiàn)，節(jié)點的軸壓比在0.4 時節(jié)點的耗能能力最好，在極限位移時分別比軸壓比0.2 和0.6 的大3.84%和12.5%。

圖4 不同軸壓比節(jié)點等效黏滯阻尼系數(shù)

3.2 翼緣連接板厚度

不同翼緣連接板厚度節(jié)點的滯回曲線如圖5 所示，可以看出滯回曲線較為飽滿，呈弓形。隨著翼緣連接板厚度增大，節(jié)點的最大荷載有所提升，但翼緣連接板厚度為10 mm 時承載力最大，分別比翼緣連接板為6 mm 和14 mm 時大9.63%和1%，說明隨著翼緣連接板厚度增加節(jié)點的承載力增加，但是不宜超過10 mm。節(jié)點的飽滿程度隨著翼緣連接板厚度增加而增大。

圖5 不同翼緣連接板厚度節(jié)點滯回曲線

不同翼緣連接板厚度節(jié)點的等效黏滯阻尼系數(shù)如圖6 所示。對比發(fā)現(xiàn)，節(jié)點的耗能能力隨著翼緣連接板厚度的增加而提高，在14 mm 時節(jié)點的耗能能力最好，在極限位移時分別比6 mm 厚和10 mm 厚的大21.32%和2.16%，10 mm 厚和14 mm 厚翼緣連接板節(jié)點耗能能力相差不大。

圖6 不同翼緣連接板厚度節(jié)點等效黏滯阻尼系數(shù)

4 結論

對于新提出的鋼管混凝土柱-H 型鋼梁槽鋼連接節(jié)點，進行了6 個試件的Abaqus 模擬分析，研究了節(jié)點在低周反復荷載下的受力情況。結果表明，節(jié)點的軸壓比對節(jié)點的承載力影響較小，軸壓比在0.4 時節(jié)點的耗能能力最好；節(jié)點的翼緣連接板厚度對節(jié)點的承載力有一定影響，翼緣連接板為10 mm 時節(jié)點的承載力最大，節(jié)點的耗能能力隨著翼緣連接板厚度的增加而增大，翼緣連接板厚度為14 mm 時耗能能力最好，但是和10 mm 時相比提升不大。