某斜向交匯預應力型鋼混凝土梁-鋼管混凝土柱節點研究

孫建龍

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

1 概述

由于預應力型鋼混凝土梁與鋼管混凝土柱具有剛度大、承載力高及延性好等優點[1]，將兩者結合可以滿足超大跨度、重載結構的要求，但兩者梁柱節點的可靠性是能否實現上述目標的關鍵[2]。基于此問題，國內學者對此進行大量研究。其中聶建國等[3]對鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁外加強環節點進行了試驗研究，對其構造措施提出了改進建議。丁陽等[4]采用低周往復擬靜力試驗與數值模擬相結合的研究方法，對鋼管混凝土柱-預應力混凝土梁T形節點進行了研究，得出其具有良好的承載力及延性。金懷印等[5-6]基于非線性有限元軟件，對PSRC梁-CFT柱隔板貫穿式節點進行了分析，結果表明：該節點具有較高的承載能力與良好的延性，呈現梁鉸破壞機制，后期承載力、剛度退化緩慢，滿足工程安全性要求。方梅[7]通過低周往復荷載試驗，研究不同預應力對鋼管混凝土柱-預應力混凝土梁節點的影響，結果表明：預應力對試件的破壞類型幾乎沒有影響，但使其剛度退化加快，耗能性能降低。

綜上，兩向正交的型鋼混凝土梁-鋼管混凝土柱節點的研究和工程應用都比較成熟[8-9]，然而斜向交匯的預應力型鋼混凝土梁-鋼管混凝土柱節點的研究相對較少，所以對此的研究具有重要意義。以某站房邊跨斜向交匯預應力型鋼混凝土梁-鋼管混凝土柱節點為研究對象，基于ADINA有限元軟件模擬分析結果，采用縮尺模型試驗，對該節點在設計荷載作用下各單元的應力分布、荷載位移曲線及低周往復荷載下的滯回曲線等指標進行了試驗研究，得到該類型節點的受力機理及抗震性能，為工程設計提供理論依據和優化建議。

2 工程概況[10-11]

新建呼和浩特東客站為一現代化大型鐵路客站，站房建筑面積59 240 m2。站房高架候車廳樓蓋柱網為31.2 m，呈正三角形規則布置。本工程設計使用年限為50年，建筑結構的安全等級為一級，抗震設防烈度為8度，地震加速度0.2g。

站房主體結構采用了鋼管混凝土柱-預應力混凝土梁框架結構體系，其中站房高架層的計算模型如圖1所示。預應力混凝土梁端部設置有型鋼梁，與鋼管混凝土柱節點區上下加強環板焊接，梁內預應力筋和部分普通鋼筋穿過節點核心區，部分普通鋼筋與環板雙面焊接連接。由此，站房中部形成兩向正交的預應力型鋼混凝土梁-鋼管混凝土柱節點，而站房兩側邊跨則形成了復雜的斜向交匯預應力型鋼混凝土梁-鋼管混凝土柱節點。其中交?軸所形成的典型斜向交匯節點如圖2所示，與節點相連各構件的截面及材質如表1所示。

圖1 站房高架層結構計算模型(局部)

圖2 節點平面示意(單位：mm)

構件混凝土梁/mm型鋼梁/mm梁端跨中截面預應力筋/mmKL12200×19001600×1900H1600×800×25×404×19?s15.2KL22200×19001600×1900H1600×800×25×406×16?s15.2KL32200×19001600×1900H1600×800×25×304×16?s15.2

注：混凝土等級為C40，鋼質為Q345B；預應力筋為φ15.2 mm鋼絞線。

3 有限元分析

3.1 模型建立

為了確保有限元模型建立的準確性，模型設計時采用了全三維CAD設計，很好地解決了鋼結構、混凝土、鋼筋、預應力鋼絞線之間的幾何干涉關系，建立的節點模型如圖3所示。

圖3 梁柱三維實體模型

由三維實體模型可知，該節點模型中鋼結構、鋼筋和混凝土的相互關系非常復雜，對有限元分析的前期建模及分析軟件的選擇都有較高的要求。綜合對比各類有限元分析軟件后，節點擬采用Hyper Mesh對有限元模型進行精確的劃分，再采用通用程序ADINA—Automatic Dynamic Incremental Nonlinear Analysis對節點進行非線性有限元分析[12-13]。

模型中所用的荷載種類、大小同實際工程設計中使用的荷載一致。荷載直接提取整體桿系模型中一組最不利控制組合的桿件內力或節點位移作為其計算控制荷載或約束邊界條件。

在建模過程中，鋼管與混凝土間采用了接觸約束、綁定約束等[14-15]非線性邊界約束單元。由于本節點各構件幾何截面均較大，幾何非線性和狀態非線性問題不突出，故而分析中只涉及混凝土、鋼材的彈塑性材料非線性問題。鋼材采用等向彈塑性模型，混凝土采用塑性損傷模型，參照文獻[16]的本構關系。非線性計算方法選擇了Newton-Raphson分步增量迭代算法(混合算法)。建成后的梁柱節點有限元模型如圖4所示。

圖4 梁柱節點有限元模型

節點采用逐級遞增加載方式，加載步總共分為10級，荷載遞增量為10%，最大荷載值按整體分析中各種組合工況下的最不利荷載采用，邊界條件為直接在鋼管混凝土柱上下端有限元節點上設置剛性約束。荷載加載位置及約束位置如圖4所示。

3.2 計算結果

加載至最大荷載步時，梁柱節點范圍內各單元的應力云圖如圖5所示。從鋼管柱應力云圖可見，對于鋼管柱及內置型鋼梁，應力峰值為177 MPa，出現在型鋼梁與外加強環板交界處，為應力集中現象，但區域面積小，分布離散且不貫通。濾去應力集中區域，鋼管柱的最大應力值為140 MPa，型鋼梁的最大應力值120 MPa，遠小于規范限值；從框架梁內預應力筋、縱向鋼筋的應力云圖可見，各受力筋的應力分布較為均勻，且應力值均控制在規范限值以內；從梁端箍筋應力云圖可見，加強區段的箍筋應力值較小，最大應力值出現在梁端加強區以外，說明在梁端剪力作用下，梁端加強區及型鋼梁的設置分擔了大部分剪力，設計時應在梁端加強區以外一定范圍內設置箍筋加密區，確保抗剪承載力的平緩過渡。

圖5 節點區各單元的應力云圖

根據上述各單元的應力云圖分布可見，ADINA有限元軟件及HyperMesh網格劃分功能可有效地模擬梁柱節點的受力性能及鋼筋(預應力筋)與混凝土間接觸關系，此技術為其他部位的梁柱節點的受力分析提供了可能，也為實體縮尺模型試驗提供了必要的數據支撐，達到減小試件數量、優化設計的目的。

梁柱節點的荷載-位移關系曲線如圖6所示。從曲線段可見，在設計荷載作用下，節點呈非線性彈性變化，加載至第10級荷載步時，位移達到16 mm，此時曲線仍未出現塑性平緩或下降段，可見該梁柱節點具有很好承載力和剛度。

圖6 節點荷載-位移曲線

4 節點試驗

4.1 試件設計與制作

根據實際工程的構件尺寸及實驗室加載條件，采用1∶4縮尺模型試驗。各構件截面尺寸、鋼板厚度按1∶4為基準并考慮強度設計值和鋼板型號進行縮尺，構件內的鋼筋及預應力筋按截面等配筋率原則進行配置。按上述原則換算的試件參數如表2所示。

表2 試件尺寸

注：試件尺寸以KL2為例。

各鋼構件間均采用全熔透坡口等強焊接，梁端的負彎矩筋部分繞過鋼管柱連續設置，部分焊接在環板上達到錨固的要求；為了測量各級荷載下不同部位的應力、應變，在環板、加勁肋、普通鋼筋等試件受力較大部位設置了應變片，制作完成的試件如圖7所示。

圖7 試件制作及安裝

4.2 靜力加載

采用由小到大逐級加載的方式進行，共分11級，除1、2級間增量為25 kN外，其他各級間增量均為50 kN，最大加載量為500 kN。每級加載到位后，測量各應變片應變、觀察裂縫是否產生、測量裂縫寬度等。

根據所設應變片測得的各單元應力情況分析，梁內型鋼梁及環板的應力均較小，與有限元分析相吻合。

第4級加載(相當于極限荷載的30%)末期，裂縫開始產生，最明顯的裂縫出現在?軸和軸交界處以及軸梁的根部；第5級加載(相當于極限荷載的40%)時，最大裂縫寬度在0.10～0.12 mm，第6級加載時，最大裂縫寬度在0.20 mm左右，第7級加載(相當于極限荷載的60%)時，最大裂縫寬度達到0.28～0.30 mm。部分靜力加載時刻的構件裂縫如8所示。

上述所有裂縫均為彎曲裂縫，剪切裂縫幾乎沒有產生。

圖8 第5、第7級加載時刻構件裂縫

4.3 低周往復荷載試驗

對2根主梁梁端施加低周往復荷載，加載制度為兩根梁相向加載，加載按位移控制，每級位移為梁長度的1%，加載所得到的滯回曲線如圖9所示。試件的滯回曲線相對飽滿，沒有捏縮現象，表明該節點具有良好的耗能能力。

圖9 試件滯回曲線

低周往復加載下，試件的損傷不斷積累，裂縫發展迅速、導致最終破壞，破壞區域主要集中在?軸梁工字鋼截斷處和軸梁的根部，如圖10所示，而梁柱節點區域傳力狀態穩定。

圖10 試件最終破壞狀態

4.4 試驗小結

根據上述試驗結果可得出：

(1)試驗節點在試驗過程中未產生任何剪切斜裂縫，說明梁端抗剪加強措施是有效的，且有合理的余量。

(2)梁內型鋼梁和環板的應力、應變均相對較小，具有一定的安全儲備，可據此進行優化設計。

(3)梁柱節點的滯回曲線飽滿，具有良好的耗能能力和抗震性能。

綜上可見，工程中所涉斜向交匯預應力型鋼混凝土梁-鋼管混凝土柱節點是可靠的，且達到承載能力極限狀態時，材料的屈服區域在節點以外，符合框架結構“強柱弱梁更強節點”的抗震設計原則。

5 結論

(1)采用ADINA有限元軟件及HyperMesh網格劃分功能，可有效地模擬復雜預應力型鋼混凝土梁-鋼管混凝土柱節點，具有較高的計算精度和準確性，為實體縮尺模型試驗提供了必要的數據支撐和設計依據。

(2)節點有限元分析表明，該梁柱節點具有較好的承載力和剛度，梁端加強區及型鋼梁分擔了梁端大部分剪力，設計時建議在梁端加強區以外一定范圍內設置箍筋加密區，確保抗剪承載力的平緩過渡。

(3)1∶4縮尺模型試驗表明，混凝土構件裂縫主要表現為彎曲裂縫，幾乎未見剪切裂縫，說明節點具有較強的抗剪能力，可對梁內型鋼梁進行適當優化。

(4)該節點的滯回曲線飽滿，具有良好的耗能能力和抗震性能，同時可實現框架結構“強柱弱梁更強節點”的抗震設計原則。