外端板加強(qiáng)式鋼管混凝土柱梁焊接節(jié)點(diǎn)受力性能分析

卜永紅 何闖 劉挺

（1.長安大學(xué)建筑工程學(xué)院，西安 710061；2.中聯(lián)西北工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710082）

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)由于其力學(xué)性能優(yōu)良，在高層建筑、橋梁結(jié)構(gòu)等工程中應(yīng)用廣泛。節(jié)點(diǎn)作為結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的強(qiáng)度、剛度、抗震性能等有直接影響［1］。

加勁端板-單邊螺栓或穿芯螺栓類節(jié)點(diǎn)由于構(gòu)造簡單、施工方便，研究較多。宗周紅等［2］通過試驗(yàn)研究了穿芯螺栓-加勁端板節(jié)點(diǎn)、綴板焊接節(jié)點(diǎn)與常規(guī)栓焊節(jié)點(diǎn)的抗震性能，結(jié)果顯示穿芯螺栓-加勁端板節(jié)點(diǎn)與綴板焊接節(jié)點(diǎn)整體抗震性能優(yōu)于常規(guī)栓焊節(jié)點(diǎn)。王靜峰等［3］對(duì)方形與圓形鋼管混凝土柱鋼梁加勁端板-單邊螺栓節(jié)點(diǎn)進(jìn)行單調(diào)與循環(huán)往復(fù)加載試驗(yàn)，結(jié)果表明此類節(jié)點(diǎn)破壞形式主要有端板或柱平面外變形、螺栓拔出、鋼管壁撕裂等。李德山等［4］對(duì)鋼管混凝土柱-鋼梁螺栓連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行軸拉及彎剪加載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)方形鋼管混凝土柱設(shè)置約束拉桿能有效限制管壁變形，顯著提高節(jié)點(diǎn)核心區(qū)整體性，減少破壞區(qū)域；圓形鋼管因?yàn)楣鼙诜€(wěn)定性較好，設(shè)置約束拉桿對(duì)改善節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能效果不明顯。楊松森等［5］對(duì)裝配式外套筒-加強(qiáng)式外伸端板組件梁與柱連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明由于對(duì)拉效應(yīng)，該類型節(jié)點(diǎn)滑移嚴(yán)重，節(jié)點(diǎn)的耗能能力較差。

以上對(duì)鋼管混凝土柱與鋼梁加勁端板-穿芯螺栓（單邊螺栓）連接節(jié)點(diǎn)的研究表明，此類節(jié)點(diǎn)在地震反復(fù)荷載作用下極易發(fā)生螺栓松弛變形甚至斷裂、鋼管壁撕裂螺栓拔出等節(jié)點(diǎn)核心區(qū)破壞。針對(duì)該類型節(jié)點(diǎn)的缺陷，文獻(xiàn)［6］提出外端板加強(qiáng)式方形鋼管混凝土柱-鋼梁焊接節(jié)點(diǎn)與栓焊混合連接節(jié)點(diǎn)并進(jìn)行了抗震性能試驗(yàn)，結(jié)果表明梁柱剛度比較小時(shí)，外端板加強(qiáng)式焊接節(jié)點(diǎn)、栓焊混合節(jié)點(diǎn)與傳統(tǒng)穿芯螺栓-加勁端板節(jié)點(diǎn)的整體破壞形態(tài)相同，均表現(xiàn)為梁端屈曲出現(xiàn)塑性鉸破壞，但避免了傳統(tǒng)穿芯螺栓-加勁端板節(jié)點(diǎn)螺栓松弛甚至斷裂的缺陷，滿足“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，弱構(gòu)件”的抗震設(shè)計(jì)要求。

本文采用數(shù)值模擬的方法，在文獻(xiàn)［6］鋼管混凝土柱-鋼梁焊接連接節(jié)點(diǎn)低周往復(fù)加載試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，運(yùn)用有限元軟件ABAQUS 建立節(jié)點(diǎn)模型，對(duì)節(jié)點(diǎn)的抗震性能進(jìn)行模擬研究，并對(duì)影響該類型節(jié)點(diǎn)受力性能的主要因素進(jìn)行分析。研究結(jié)果可進(jìn)一步明確該新型節(jié)點(diǎn)的傳力路徑和破壞機(jī)理，也可為該新型節(jié)點(diǎn)在組合結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了2 個(gè)外端板加強(qiáng)式鋼管混凝土柱-鋼梁焊接節(jié)點(diǎn)，試件整體高2.2 m，寬2.9 m，柱子截面為□250×250×8，鋼梁則采用 HN250×125×6×9，HM244×175×7×11 規(guī)格 H 型鋼。節(jié)點(diǎn)試件 JD-2 的細(xì)部結(jié)構(gòu)見圖1，試件JD-3除鋼梁型號(hào)不同外，其余細(xì)部尺寸同試件JD-2。試件設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，鋼材力學(xué)性能見表2，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度實(shí)測值為55 MPa。

圖1 試件JD-2細(xì)部結(jié)構(gòu)（單位：mm）

表1 試件設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 鋼材的力學(xué)性能

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)節(jié)點(diǎn)試件進(jìn)行柱端低周往復(fù)水平加載。試驗(yàn)中柱子豎向荷載保持不變，水平荷載采用位移控制，試件屈服前每級(jí)加載位移循環(huán)1 次、試件屈服后每級(jí)加載位移循環(huán)3次［7］。

2個(gè)試件的破壞形態(tài)見圖2。試件柱頂水平荷載-位移滯回曲線見圖3。骨架曲線特征點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的荷載和位移見表3。從圖2可見，外端板加強(qiáng)式鋼管混凝土柱梁焊接節(jié)點(diǎn)在梁柱剛度比較小時(shí)，破壞形態(tài)與傳統(tǒng)加勁端板-穿芯螺栓節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)一樣，都為鋼梁屈曲出現(xiàn)塑性鉸破壞，但避免了穿芯螺栓松弛甚至斷裂的安全隱患。當(dāng)梁柱剛度比較大時(shí)，外端板加強(qiáng)式鋼管混凝土柱梁焊接節(jié)點(diǎn)發(fā)生核心區(qū)焊縫開裂破壞。另外，從圖3 中可以看出2 個(gè)試件的滯回曲線均比較飽滿，表明節(jié)點(diǎn)耗能性能較好。從表3可以看出，梁柱剛度比的提高，使得節(jié)點(diǎn)的峰值荷載提高了32%，但延性系數(shù)降低了約19%。

圖2 試件破壞形態(tài)

圖3 試件柱頂水平荷載P-位移D滯回曲線

表3 試件的特征荷載及所對(duì)應(yīng)的位移

2 有限元模型

2.1 材料本構(gòu)關(guān)系與參數(shù)選擇

運(yùn)用ABAQUS 中的3D 實(shí)體單元C3D8R 創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)三維模型，模型尺寸與試件相同，然后在屬性功能模塊下對(duì)各部件的材料本構(gòu)模型進(jìn)行定義。混凝土抗壓強(qiáng)度取55 MPa，混凝土的質(zhì)量密度取2 400 kg/m3，彈性模量取32.5 GPa，泊松比取0.2。文獻(xiàn)［8］給出的鋼管混凝土受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型，經(jīng)過大量試驗(yàn)的驗(yàn)證其精確性較高，因此，本文試件節(jié)點(diǎn)的受壓混凝土材料采用該模型，見圖4（a）。受拉混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［9］中的模型，見圖4（b）。利用 ABAQUS 軟件中的塑性損傷模型分析混凝土結(jié)構(gòu)在循環(huán)荷載作用下的力學(xué)性能，參考文獻(xiàn)［10］確定混凝土塑性損傷模型中的參數(shù)。膨脹角取30°，塑性勢能的流動(dòng)偏角缺省值取0.1，初始等效雙軸抗壓屈服應(yīng)力與初始單軸抗壓屈服應(yīng)力比取1.16，不變量應(yīng)力比取0.667，等效黏滯系數(shù)取0.005，黏滯系數(shù)適當(dāng)調(diào)大，有利于有限元模型的分析收斂［11］。鋼材本構(gòu)模型采用雙折線模型，見圖4（c）。各部件鋼材的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、彈性模量按表2取值，泊松比取0.3。

圖4 材料本構(gòu)關(guān)系

2.2 模型邊界條件

模擬試件的邊界條件與試驗(yàn)保持一致，在鋼梁兩側(cè)中心創(chuàng)建2個(gè)點(diǎn)，各點(diǎn)分別與兩側(cè)鋼梁進(jìn)行耦合，并施加邊界條件。該邊界條件設(shè)置y方向位移和x方向轉(zhuǎn)角為自由端，對(duì)其他方向位移和轉(zhuǎn)角進(jìn)行約束。在柱頂與柱底創(chuàng)建中心點(diǎn)與其耦合，然后在耦合點(diǎn)上施加邊界條件，柱頂對(duì)x向位移，y，z向轉(zhuǎn)角進(jìn)行約束；柱底對(duì)x，y，z三個(gè)方向的位移和x，z兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)角進(jìn)行約束。

依次在分析步功能模塊下設(shè)置分析步并定義約束、創(chuàng)建荷載、劃分網(wǎng)格，即完成了節(jié)點(diǎn)有限元模型的建立。

3 結(jié)果分析

3.1 有限元模型的驗(yàn)證

采用與試驗(yàn)相同的加載方式和加載制度對(duì)節(jié)點(diǎn)有限元模型進(jìn)行低周反復(fù)荷載作用下的抗震性能分析，試件JD-2有限元分析與試驗(yàn)破壞形態(tài)對(duì)比見圖5。試件JD-2 有限元模擬與試驗(yàn)滯回曲線、骨架曲線對(duì)比見圖6。由圖5、6可見，節(jié)點(diǎn)有限元分析與試驗(yàn)破壞模式均為鋼梁端部屈曲出現(xiàn)塑性鉸破壞，有限元分析所得荷載-位移滯回曲線、骨架曲線與試驗(yàn)結(jié)果幾乎重合，表明有限元分析參數(shù)的選取、模型的建立及加載均比較合理，有限元分析能較準(zhǔn)確地模擬節(jié)點(diǎn)在地震荷載作用下的受力性能。

3.2 節(jié)點(diǎn)受力性能影響因素分析

3.2.1 混凝土強(qiáng)度

以試件JD-2 作為模型，僅改變混凝土強(qiáng)度而其他參數(shù)不變，分別選取混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，C40，C50，C60 進(jìn)行分析，不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)下節(jié)點(diǎn)的荷載-位移骨架曲線對(duì)比見圖7。可見，不同混凝土強(qiáng)度節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的骨架曲線基本重合，說明在其他參數(shù)相同的情況下，鋼管內(nèi)填充混凝土的強(qiáng)度對(duì)節(jié)點(diǎn)地震荷載作用下的受力性能影響較小。

圖5 試件JD-2有限元分析與試驗(yàn)破壞形態(tài)對(duì)比（單位：Pa）

圖6 試件JD-2有限元分析與試驗(yàn)滯回曲線、骨架曲線對(duì)比

圖7 混凝土強(qiáng)度對(duì)節(jié)點(diǎn)骨架曲線的影響

3.2.2 軸壓比

以試件JD-2 作為模型，僅改變鋼管混凝土柱的軸壓比而其他參數(shù)不變，選取軸壓比為0.1，0.2，0.3，0.4，0.5進(jìn)行分析，不同軸壓比下節(jié)點(diǎn)的荷載-位移骨架曲線對(duì)比見圖8?？梢姡涸诘卣鸷奢d作用初期，不同軸壓比節(jié)點(diǎn)的骨架曲線基本重合，說明節(jié)點(diǎn)試件在彈性階段的初始剛度基本相同，隨著軸壓比從0.1 逐步增大至0.5，節(jié)點(diǎn)的屈服荷載和屈服位移、峰值荷載與峰值位移也逐漸減小。在地震荷載作用后期，隨著軸壓比的增大，節(jié)點(diǎn)剛度退化加快，曲線下降迅速，極限位移減小，這也反映了軸壓比的增大使得柱子受力P-D效應(yīng)增大。

圖8 軸壓比對(duì)節(jié)點(diǎn)骨架曲線的影響

3.2.3 鋼梁腹板厚度

以試件JD-2 作為模型，僅改變鋼梁腹板厚度而其他參數(shù)不變，選取鋼梁腹板厚4，5，6，7 mm 進(jìn)行分析，不同腹板厚度鋼梁下節(jié)點(diǎn)的荷載-位移骨架曲線對(duì)比見圖9?？芍涸黾愉摿焊拱搴穸龋?jié)點(diǎn)最大承載力及剛度得到了顯著的提高。鋼梁腹板厚度的改變與梁柱剛度比的改變性質(zhì)相同。文獻(xiàn)［6］的試驗(yàn)研究結(jié)果也表明：梁柱剛度比的提高增強(qiáng)了節(jié)點(diǎn)的剛度和極限承載力，但降低了節(jié)點(diǎn)的延性與耗能能力。

圖9 鋼梁腹板厚度對(duì)節(jié)點(diǎn)骨架曲線的影響

3.2.4 外端板厚度

以試件JD-2 作為模型，僅改變外端板厚度而其他參數(shù)不變，選取外端板厚12，14，16，18 mm進(jìn)行分析，不同厚度外端板節(jié)點(diǎn)的荷載-位移骨架曲線對(duì)比見圖10?？梢姡汗?jié)點(diǎn)外端板厚度的差異（在一定范圍內(nèi)）對(duì)節(jié)點(diǎn)的極限承載力、變形能力等抗震性能指標(biāo)影響不大。

圖10 外端板厚度對(duì)節(jié)點(diǎn)骨架曲線的影響

3.2.5 加勁肋

以試件JD-2 作為模型，僅改變加勁肋的設(shè)置而其他參數(shù)不變，研究加勁肋的設(shè)置對(duì)節(jié)點(diǎn)受力性能的影響。設(shè)置加勁肋對(duì)節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)的影響見圖11?？芍涸O(shè)置加勁肋節(jié)點(diǎn)的鋼梁在加勁肋外部發(fā)生屈曲變形，最終形成塑性鉸破壞，屬于延性破壞；而未設(shè)加勁肋節(jié)點(diǎn)在鋼梁端部發(fā)生屈曲，且鋼梁翼緣、腹板和端板之間的焊縫基本完全開裂（應(yīng)力均大于鋼材與焊縫的強(qiáng)度），發(fā)生脆性破壞。這表明在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)置加勁肋可使鋼梁塑性鉸外移，防止節(jié)點(diǎn)發(fā)生脆性破壞。

圖11 設(shè)置加勁肋對(duì)節(jié)點(diǎn)破壞形態(tài)的影響

設(shè)置加勁肋對(duì)節(jié)點(diǎn)骨架曲線的影響見圖12，可知：由于加勁肋的存在，節(jié)點(diǎn)的水平承載能力和變形能力得到了很大幅度的提升。因此節(jié)點(diǎn)核心區(qū)設(shè)置加勁肋能防止節(jié)點(diǎn)發(fā)生脆性破壞，對(duì)節(jié)點(diǎn)抗震性能的提高有重要影響。

圖12 設(shè)置加勁肋對(duì)節(jié)點(diǎn)骨架曲線的影響

4 結(jié)論

1）建立了外端板加強(qiáng)式鋼管混凝土柱-鋼梁焊接節(jié)點(diǎn)有限元模型，通過對(duì)有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了有限元分析參數(shù)選取、模型建立及加載計(jì)算合理。

2）對(duì)影響鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)受力性能的因素進(jìn)行了分析，研究結(jié)果表明：在地震荷載作用下，混凝土強(qiáng)度對(duì)節(jié)點(diǎn)的受力性能影響較??；柱子軸壓比對(duì)節(jié)點(diǎn)屈服后受力階段的最大承載力與變形能力影響較大；鋼梁腹板厚度對(duì)節(jié)點(diǎn)整個(gè)受力階段的強(qiáng)度與剛度、延性均有一定影響；節(jié)點(diǎn)外端板厚度的差異（在一定范圍內(nèi)）對(duì)節(jié)點(diǎn)的極限承載力、變形能力等抗震性能指標(biāo)影響不大；節(jié)點(diǎn)核心區(qū)加勁肋的設(shè)置改變了節(jié)點(diǎn)的破壞模式，且對(duì)節(jié)點(diǎn)的承載力與變形能力有很大影響。

3）試驗(yàn)研究與有限元分析結(jié)果均表明：外端板加強(qiáng)式鋼管混凝土柱-鋼梁焊接節(jié)點(diǎn)承載力與變形能力等抗震性能指標(biāo)良好，可在地震設(shè)防區(qū)應(yīng)用。