方鋼管混凝土柱—鋼梁套筒連接節點參數分析★

徐 嫚 李紫微 韓振寧

(1.東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040； 2.哈爾濱工業大學城市規劃設計研究院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

鋼管混凝土是指在鋼管中填充混凝土，從而使得鋼管及其核心混凝土能共同承受外荷載作用的結構構件。它能夠取長補短，吸收鋼、混凝土二者的優點，鋼管內核心混凝土可以改善鋼管的局部屈曲，而鋼管則可以限制混凝土的變形，使內部混凝土處于三向受壓狀態，提高了混凝土的抗壓強度，具有強度高、自重輕、吸收能量大、耐火性能好[1]等優點。因為鋼管混凝土結構與傳統結構相比具有明顯的優勢，鋼管混凝土結構正被廣泛應用于工業廠房、高層建筑和地鐵橋梁等結構中，獲得了較高的綜合效益。然而，梁柱連接節點的發展一直制約著其進一步推廣使用，故深入研究結構節點的力學性能具有重要的價值和意義。

P Ansourian等[2]對鋼管混凝土柱與鋼梁焊接節點進行了試驗研究。試驗結果表明：鋼管混凝土柱與鋼梁焊接節點受力的主要部位在焊接處，在往復荷載作用下，節點焊縫處易出現撕裂現象。Yousef.M.Alostaz等[3]對6種不同連接形式的鋼梁—圓鋼管混凝土柱節點進行有限元模擬分析，節點類型包括：直接焊接式、外加強環式、腹板貫通式、鋼筋貫通式、翼緣貫通式、鋼梁貫通式，研究表明：初始剛度最大的節點是直接焊接式節點。Atorod Azizinamini等[4]對6個不同連接方式鋼梁—圓鋼管混凝土柱的T形節點進行了試驗分析，研究表明：鋼梁與鋼管柱壁直接焊接的節點，柱管壁容易發生平面外變形，不適合在工程中應用。高奎[5]分別建立帶外套管和不帶外套管鋼管混凝土柱與鋼梁連接節點，對比分析節點在單調作用下的受力性能，得出外套管在鋼管混凝土柱與鋼梁連接節點工作過程中所起的作用。張崗崗[6]針對6個方鋼管混凝土柱套筒—端板節點試件進行試驗研究，研究表明：下弦節點破壞模式主要是套筒壁脆性剪切破壞以及焊縫斷裂，破壞主要發生在套筒筒壁拼接處和連接短梁翼緣附近的套筒筒壁上，建議在實際工程中嚴格控制套筒筒壁拼接處的焊縫質量，如果條件允許建議采用整體式套筒或兩個“U”形板對接而成的套筒。

綜上，直接焊接節點的初始剛度大，但易引起柱管壁發生平面變形，且節點焊縫處易出現撕裂現象。而且，多數研究主要集中在節點的靜力試驗研究，對節點的抗震性能研究較少，且試驗中分析參數較少，分析不夠全面。為了改善焊接節點的不足，也為了更多地了解不同參數對套筒連接節點性能的影響。針對一種套筒連接節點[7](節點形式如圖1所示)采用ABAQUS有限元軟件，對方鋼管混凝土柱—鋼梁套筒連接節點進行參數分析，從而研究節點的破壞特征和受力機理。

1 有限元模型建立

節點由方鋼管混凝土柱、工字形鋼梁、套筒等構成，節點具體尺寸如表1所示，混凝土強度等級為C30。

鋼材本構采用三線性模型，混凝土本構采用韓林海教授[8,9]研究出的考慮鋼管約束效應的方鋼管混凝土塑性損傷模型。鋼材與混凝土的本構關系模型如圖2所示。

在單元劃分時，采用C3D8R單元模擬構件中的混凝土和鋼材，即8節點三維實體單元。所有結構厚度方向至少3個單元(4個節點)以保證結果的合理性，混凝土的網格比其他構件的網格密，以方便接觸對的定義和計算。節點模型的單元劃分圖如圖3所示。

對于實際框架結構，其上柱反彎點假定為豎直方向可移動的鉸，下柱反彎點假定為固定鉸；梁的反彎點可視為在水平方向能移動的鉸[10]。根據以上邊界條件：節點有限元模型在柱頂的邊界條件為Ux=Uy=0，URy=URz=0；柱底邊界條件為Ux=Uy=Uz=0，URy=URz=0；梁端邊界條件為Ux=0，URy=URz=0。

表1 構件尺寸

加載方式為先在柱頂施加軸向力，之后在梁端施加豎向荷載的方式。加載根據JGJ/T 101—2015建筑抗震試驗規程[11]4.2條和4.4條相關規定進行，其擬靜力加載示意圖和加載制度如圖4所示。

2 參數分析

分析的參數有套筒厚度、套筒高度、軸壓比及混凝土強度等級。通過控制變量法逐一對上述參數進行分析，得到節點梁端荷載—位移曲線(P—Δ曲線)和滯回曲線。

2.1 套筒厚度

套筒厚度分別采用6 mm,8 mm,10 mm,12 mm,16 mm進行有限元模擬研究。圖5為不同套筒厚度下節點荷載—位移曲線，圖6為不同套筒厚度對節點滯回曲線的影響。

結合圖5，圖6可以看出，當套筒厚度小于10 mm時，增大套筒的厚度可以顯著提高節點的彈塑性段剛度和極限承載力(相比套筒厚度為6 mm時的節點極限承載力提升35%～95%)，但對節點的抗震性能無明顯影響；當套筒厚度大于10 mm時，隨著套筒厚度的增加，節點的剛度和極限承載力相比套筒厚度為10 mm時無顯著提升，而滯回曲線出現較為明顯的捏縮現象，節點的抗震性能變差，說明此類節點在一定范圍內可以通過增加套筒厚度提高節點彈塑性段剛度和極限承載力，但不宜過度增加套筒厚度，以免造成不必要的浪費。

2.2 套筒高度

套筒高度分別取h0,1.2h0,1.5h0和1.8h0(h0=488 mm為套筒的初始高度)進行研究，得到套筒高度對節點荷載—位移曲線和滯回曲線的影響分別如圖7，圖8所示。

結合圖7，圖8可以看出，套筒高度的增加對節點的剛度和極限承載力無明顯提升(9%以內)；而在一定范圍內增加套筒的高度可以使節點滯回曲線更加飽滿，提高節點的耗能性能，但增加套筒的高度同時會導致套筒節點試件制作難度增加，因而在設計此類節點時可以適度提高節點套筒高度，以滿足節點抗震需求。

2.3 軸壓比

軸壓比是指柱的軸壓力設計值與柱的全截面軸心抗壓強度設計值的比值。柱頂的軸力與對應的軸壓比如表2所示。

表2 柱頂軸力

保持其他條件不變，通過改變柱頂軸力N研究軸壓比n對節點性能的影響，分別取軸壓比n為0.2,0.4,0.6和0.8進行有限元模擬研究，得到軸壓比對節點荷載—位移曲線和滯回曲線的影響分別如圖9，圖10所示。

結合圖9，圖10可以發現，當軸壓比不超過0.6時，節點的剛度和承載力與軸壓比是正相關的關系，而滯回曲線基本保持一致；當軸壓比超過0.6時，節點的剛度和承載力與軸壓比呈負相關，滯回曲線開始出現明顯的“捏縮效應”，抗震性能變差，可見節點的軸壓比控制在0.6時最佳。

2.4 混凝土強度等級

柱鋼管內混凝土強度分別取C20,C25,C30,C40進行有限元分析，得到混凝土強度等級對節點荷載—位移曲線和滯回曲線的影響分別如圖11，圖12所示。

結合圖11，圖12可以發現，柱鋼管內混凝土強度的提高可以提升節點的剛度和極限承載力(7%～38%)；當混凝土強度低于C40時，混凝土強度的改變不會影響節點的抗震性能，當混凝土強度達到C40時，節點的骨架曲線荷載峰值點提高了20%。

3 結語

本文主要對方鋼管混凝土柱—鋼梁套筒連接節點進行了有限元參數分析，得到了以下結論：

1)套筒厚度對節點的剛度和極限承載力有著較為顯著的影響，但其增厚至一定程度后就不能作為影響剛度和承載力的主要參數。

2)套筒高度對節點的剛度和承載力無明顯影響，但在合理范圍內增加套筒高度可以一定程度上改善節點的耗能性能，滿足抗震需求。

3)當軸壓比小于0.6時，軸壓比的提高可以提升節點的剛度和承載力，但提升效果有限；當軸壓比超過0.6時，節點的剛度和承載力下降，且滯回曲線出現“捏縮現象”，可見此類節點的軸壓比宜控制在0.6左右。

4)混凝土強度的增長可以提高節點的剛度和承載力，但對節點的抗震性能影響較小。