鋼管混凝土翼緣削弱外加強環式節點受力性能研究＊

李成玉 李 睿 郭耀杰

（武漢科技大學城市建設學院1） 武漢 430070） （武漢大學土木建筑工程學院2） 武漢 430072）

目前，翼緣削弱設計還只應用于鋼框架結構中，在鋼管混凝土結構中尚較少有相關的應用和研究［1］.筆者的相關研究表明，在靜力加載時，加強環式節點的破壞多發生在翼緣與環板接合部位，以及柱壁與環板的連接焊縫處；在反復荷載作用下，節點域處的鋼管發生鼓脹，試驗時節點破壞多是發生在環與柱管的連接焊縫上.這些區域發生破壞都將直接導致節點域毀滅性的撕裂，以致節點域喪失工作能力，無法修補，其破壞后果甚至比鋼框架節點的破壞后果還要嚴重.究其原因，主要是通過普通外加強環式節點連接的鋼管混凝土－鋼梁框架，其塑性鉸不可能先發生在梁上，相反，結構的塑性域首先出現在節點域［2］.這是與“強節點、弱構件”的設計原則相悖的.因此，本文嘗試對加強環式節點進行翼緣削弱設計，并分析其受力性能，為工程應用提供參考.圖1是圓弧型加強環式節點的翼緣削弱節點設計示意圖［3］.

圖1 鋼管混凝土結構梁柱節點翼緣削弱設計

圖2 翼緣削弱鋼管混凝土梁柱節點有限元模型

1 翼緣削弱加強環節點應力分布

圖2為翼緣削弱加強環節點的有限元模型.不考慮焊縫開孔.對此模型進行有限元分析，得到節點的應力分布云圖，見圖3.

從應力云圖可以看到，在環板的危險截面區域以及翼緣削弱部位都出現了高應力區.在梁受拉翼緣的中心線上沿梁長度方向設置一條路徑，讀取路徑上的等效應力，見圖4.結果發現，在經過翼緣削弱處理的梁面上，出現了塑性區，也即是說在梁的削弱部位有塑性鉸出現.對比梁翼緣邊線與中心線路徑上的應力值，可見，在梁的削弱部位和環板危險斷面都出現了塑性.圖5為采用不同梁長的節點模型在2條路徑上所對應的應力值，LA為長梁節點模型的中心路徑，SW 為短梁節點模型的邊緣路徑，依此類推.圖中顯示，長梁節點在梁削弱區的應力值要高于短梁節點對應區域的應力值，但在環板上的應力值卻沒有改變，顯然，通過改變梁的長度，可以使梁上的塑性提前出現.但在實際工程中隨意改變梁長是不現實的.當然，根據上述的研究結果，通過改變環板寬度可以改變環板應力分布，那么適當設置環板寬度，可以實現梁翼緣削弱部位先出現塑性（見圖3）.

對比翼緣削弱節點和普通節點環板危險斷面上的應力，可以看出，翼緣削弱節點在環板危險斷面上的應力值要小于普通節點的應力值，見圖6.對比環板轉角部位的塑性變形，也可以看出翼緣削弱節點在該處的塑性發展要小于普通節點，見圖7.這表明通過翼緣削弱處理的節點，改善了環板的應力分布.對比翼緣削弱節點環板和普通節點環板的應力分布，見圖8.可以看出，翼緣削弱由于梁翼緣的削弱，使得應力流提前發生了轉折，當應力流進入環板以后，不再象普通節點那樣，在轉角處出現高度轉折和密集的應力流，亦即通過翼緣削弱處理的節點，的確改善了環板的應力分布.

圖3 翼緣削弱節點應力云圖

圖4 梁翼緣沿梁長應力分布

圖5 不同梁長節點相關路徑應力分布

圖6 節點危險斷面應力對比

圖7 環板轉角處塑性變形對比

2 翼緣削弱加強環節點抗彎剛度

筆者曾采用單因素法分析節點剛度時設計了大量的節點模型，對其中的考慮環板寬度以及考慮柱徑變化的兩組節點進行翼緣削弱改造，得到的節點相對剛度要比普通節點相對剛度高.

圖10給出了兩類節點單調荷載作用下的梁端荷載－位移關系（P－Δ）曲線，環板寬度分別為80，100mm.在加載初期，兩類節點的P－Δ曲線是重合的，表明在彈性階段，翼緣削弱對節點整體剛性沒有影響；加載繼續，P－Δ曲線進入非線性狀態，翼緣削弱節點其后的曲線幾乎是水平的，而普通節點的曲線在翼緣削弱節點的曲線之上，且呈緩慢上升之勢.顯然，由于翼緣部位的削弱，降低了節點的極限承載力，但這正是翼緣削弱設計的目的.也就是說，通過預先在梁的某個部位，預先設置一個薄弱區域，在受力時，讓這個區域首先進入屈服狀態，以致加載不能繼續，從而達到保護節點域的目的.那么，以上P－Δ曲線表明，翼緣削弱節點設計的目的基本達到了.

圖8 環板應力流對比分析

圖9 同心圓弧形翼緣削弱節點相對剛度

圖10 單調荷載作用下的梁端荷載－位移關系（P－Δ）曲線

3 翼緣削弱加強環節點的抗震性能

設計了兩個翼緣削弱節點，進行反復荷載作用下的抗震性能模擬.節點參數見表1.得到的滯回曲線如圖11～12所示.節點的耗能系數分別為2.4和2.56，比對應的普通節點的耗能系數都要大.

表1 反復荷載數值模擬節點模型參數表

翼緣削弱節點的梁端荷載－位移滯回曲線飽滿，幾次循環之間重合得非常好，看不出剛度退化跡象.從柱壁滯回曲線來看，翼緣削弱節點在反復荷載作用下，柱管變形量很小.環板寬度為80 mm的節點，柱壁最大變形為2.5mm；環板寬度為120mm的節點，柱壁最大變形僅為1.2mm.

再看120mm環寬翼緣削弱節點的塑性擴展過程，見圖13.在第2荷載步（即梁端加載第1荷載步，總荷載步第1步為柱頂加載），環板轉角有塑性出現，對于同心圓弧型節點，這是不可避免的.循環加載至第4荷載步，在梁面削弱部位中部也出現了塑性，至第12步，梁面塑性累積程度比環板轉角處大.實際上，在整個加載過程中，環板上的塑性僅在轉角部位存在，在環板上并沒有出現貫穿的塑性帶.顯然，經翼緣削弱改造的節點，可以實現在梁上出現塑性鉸.

圖11 翼緣削弱節點梁端荷載－位移滯回曲線

圖12 翼緣削弱節點梁端荷載－柱壁位移滯回曲線

圖13 翼緣削弱節點塑性擴展分析

綜上分析，經翼緣削弱改造的節點，通過改變環板寬度或者調整梁的長度，可以實現在梁上出現塑性鉸，而環板上塑性發展較小.在反復荷載作用下，節點的滯回曲線飽滿，沒有剛度退化現象出現.在循環過程中，柱壁變形很小，對柱管的受力不會產生影響.

另外需要說明的是，普遍認為，翼緣削弱節點既然是在梁上進行翼緣的切削，那么，對梁或者節點的受力應該就是一種“削弱”行為.其實這種擔心沒有必要.首先，在梁上進行切削的部位，其承受的彎矩肯定比梁根部小［4－5］，即便是不進行切削，該處的承載能力也是發揮不出來的；其次，在梁上進行切削以后，改變了應力流的走向，使得環板上的應力分布得到改善.這種切削方法早就在消減應力集中方面得到應用；第三，翼緣削弱節點并沒有使節點剛性有所降低；最后，翼緣削弱有意讓塑性鉸轉移到翼緣削弱部位，達到了避免塑性在節點域擴展的目的.將翼緣削弱梁斷面塑性最集中的區域與普通節點轉角部位的累積塑性應變進行比較，見圖14.可以發現，在梁翼緣削弱部位的塑性損傷累積程度并不比普通節點轉角處的塑性損傷累積程度高.相反，經翼緣削弱改造的節點，不僅環板轉角處的塑性累積程度較低，就是在翼緣削弱部位，其塑性累積程度也要比普通節點環板轉角部位的低很多.也就是說，在翼緣削弱節點翼緣削弱部位出現塑性斷裂的概率要比在普通節點環板轉角部位出現塑性斷裂的概率小.反映在節點破壞特征上，在相同荷載條件下，普通節點破壞會早于翼緣削弱節點的破壞.

圖14 關鍵部位累計等效應變

4 結束語

采用翼緣削弱的方法對鋼管混凝土加強環式節點進行改進，并對這種節點進行受力性能的有限元模擬.模擬結果表明，能有效地改善加強環節點的受力性能.首先是明顯改善了節點域的應力分布情況，降低了節點域的應力峰值；其次這種改造并沒有降低節點的剛度，相反卻能提高節點的相對剛度；最后節點在反復荷載作用下，節點域的柱壁變形明顯減小，并成功地將塑形鉸外移到了梁端.由此可見，在鋼管混凝土外加強環式節點中使用翼緣削弱是一種行之有效的改善節點性能的方法.

［1］茹繼平，楊 娜.翼緣削弱型鋼框架梁柱節點的性能研究綜述［J］.工程力學，2004，21（1）：55－58.

［2］李成玉.鋼管混凝土柱－鋼梁框架節點受力性能及設計方法研究［D］.武漢：武漢大學土木建筑工程學院，2005.

［3］游經團，陳國棟，韓林海.外環板式鋼管混凝土節點環板尺寸的初步探討［C］／／中國鋼結構協會鋼－混凝土組合結構分會第十次年會論文集，2005.

［4］何雄君，孫國正，陸永青，朱云升.基于組合材料框架元的鋼管混凝土拱橋屈曲分析［J］.武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2002，26（1）：14－17.

［5］Pachoumis D T，Galoussis E G，Kalfas C N，et al.Reduced beam section moment connections subjected to cyclic loading：Experimental analysis and FEM simulation［J］.Engineering Structures，2008（8）：121－126.