一種新型端板式裝配梁柱連接節點受力性能分析

陽 旭,張秋實

(1.中鐵二十三局集團建筑設計研究院有限公司,四川成都 610031;2.西華大學,四川成都 610031)

1 端板式裝配梁柱節點

梁柱連接節點是裝配式結構中的關鍵部位，節點連接的優劣將直接影響結構承載力和整體穩定性。節點連接方式通常分為干式連接和濕式連接[1]，與濕式連接相比干式連接省去安裝拆除模板和澆筑養護混凝土等工序，施工過程標準化，工藝簡便，具有良好的時效性[2]。

端板式裝配梁柱連接節點即為一種干式連接，是由型鋼、鋼筋籠和混凝土、螺栓四者共同組成整體受力的一種節點形式，其受力過程為梁端剪力、彎矩通過鋼筋與梁內型鋼，通過連接螺栓傳至柱內，為一種半剛性連接節點。與傳統鋼筋混凝土現澆節點相比，具有承載能力強、抗震性能好、裝配快速方便等特點；與鋼結構相比，具有耐久性、耐火性、發揮鋼材延展性等優點[3-4]。

本文根據當前裝配式結構節點連接發展現狀，結合端板連接初始剛度理論和材料本構關系，采用有限元軟件ABAQUS對其進行非線性承載能力分析。

2 初始剛度

梁柱連接節點設計時除應能承受彎矩和剪力的強度和整體穩定性要求外，還應考慮連接節點在梁端彎矩作用下的轉角處于線彈性范圍內時節點所具有的初始剛度的影響。傳統的鋼框架分析和設計時將節點假定為完全剛接或完全鉸接，對于端板螺栓連接的初始剛度，張建明[5]采用組件法推導了計算方法。

新型端板式裝配梁柱連接節點的初始剛度應由受拉組件剛度和受壓組件剛度組成[6]。受拉構件的整體剛度Kt由混凝土柱內螺栓、端板、型鋼腹板等受拉構件共同組成；受壓構件的整體剛度由混凝土柱內型鋼腹板抗壓剛度Kcwc和柱中鋼腹板的抗剪剛度Kcwv組成。由Kt、Kcwc、Kcwv即可得到改端板式連接節點的整體剛度K。其中Kt、Kcwc、Kcwv分別滿足下式要求：

柱腹板受壓剛度Kcwc為：

(1)

beff.cw=tbf+4te

(2)

式中：E為節點鋼材彈性模量；tcw為混凝土柱內型鋼腹板厚度；tbf為混凝土梁內型鋼翼緣厚度；te為端板厚度；beff.cw為考慮混凝土梁內型鋼翼緣壓力按45°擴散；dcw為混凝土柱內型鋼腹板凈高。

柱腹板受剪剛度Kcwv為：

(3)

式中：E為節點鋼材彈性模量；Avc為混凝土柱內型鋼腹板截面面積；h0為混凝土梁內型鋼腹板凈高；β為與連接受剪邊數有關的參數，其取值參考文獻。

柱腹板受拉剛度Kcwt為：

(4)

式中：beff.cw為考慮混凝土柱內型腹板受拉時的有效寬度。

柱端板的受彎剛度Kep為:

(5)

由式(4)、式(5)可得到受拉組件整體剛度Kt為：

(6)

由式(1)、式(3)、式(6)可得到節點的整體初始剛度K為：

(7)

3 有限元模型的建立

3.1 材料本構關系及參數設置

本文選取框架連接節點為研究對象，共設計兩個節點模型(圖1)。模型1為新型端板式裝配梁柱連接節點，模型2為具有相同尺寸、材料、約束方式和邊界條件的傳統現澆節點。

圖1 梁柱節點連接

新型端板式裝配梁柱連接節點柱截面尺寸為800 mm×800 mm；梁截面尺寸為300 mm×700 mm；連接螺栓為24根M24 10.9S高強螺栓；節點混凝土強度等級為C30，混凝土梁、柱內縱筋采用HRB400，箍筋采用HPB300；柱內設“井”字型鋼，型鋼由腹板為20 mm和端板為30 mm焊接而成；梁內設“工”字型鋼，型鋼均為20 mm厚鋼板焊接而成；型鋼材料強度等均為Q345。鋼材及混凝土基本參數如表1、表2所示，端板式梁柱連接節點如圖2所示。

表1 混凝土材料參數

表2 鋼材參數

圖2 端板式梁柱連接節點

本文混凝土采用損傷塑性模型[6]計算，本構關系是基于GB 50010-2010《混凝土結構設計規范》[7]中附錄C所求出應力應變曲線所得。

受拉：

σ=(1-dt)Ecε

(8)

(9)

受壓：

σ=(1-dt)Ecε

(10)

(11)

鋼材本構關系考慮屈服后材料硬化所以采用雙折線模型(圖3)。

圖3 鋼材應力-應變關系曲線

3.2 單元的選取及接觸關系處理

本文混凝土與型鋼采用六面體三維八節點線性減縮積分單元C3D8R[8-9],縱筋與箍筋采用三維二節點桁架單元T3D2。縱筋與箍筋組成鋼筋籠，將型鋼與鋼筋籠組成的鋼骨架嵌入混凝土內部。由于混凝土與型鋼以及混凝土與鋼筋籠之間的相對滑移較小，因此本文忽略三者間相對滑移量。螺桿與螺帽和鋼板孔壁設定綁定約束，柱體內部螺桿設定嵌入約束。螺帽側面與承壓鋼板以及柱承壓鋼板與梁承壓鋼板三者之間采用面與面接觸，其中接觸屬性切向行為定義“罰”公式，摩擦系數取0.2，法向定義硬接觸。

3.3 網格劃分與邊界設置

關鍵詞有限元計算中網格劃分質量對計算速度和精度有重要影響[10][11]，本文采用六面體網格，其中梁混凝土單元取100 mm,柱混凝土單元取200 mm。工字型鋼單元取30 mm,承壓鋼板取20 mm,且在孔洞周圍相應減小單元長度。螺桿單取30 mm，螺帽單元取3.4 mm，鋼筋籠單元取25 mm。

為最大程度模擬現實梁柱受荷情況，設置邊界條件時首先將柱底完全固定，其次選取柱頂截面中心點作為參考點rp1。為避免應力集中，將參考點rp1耦合至柱頂截面，并沿z軸負方向施加軸壓比為0.2的壓力[12][13]。同理，梁左右兩端截面中心點設為參考點rp2、rp3，將rp2、rp3分別耦合至梁端對應截面，在梁端施加沿x、y方向轉角位移約束，并在rp1、rp2上施加沿z軸負方向位移荷載。荷載過程分為兩個分析步；第一步控制柱底約束，第二步在柱頂施加軸力與梁兩端截面處施加位移荷載。由于本裝配梁柱連接節點螺栓接觸關系多且材料受力變形機理復雜，為避免計算結果不收斂，本文采用顯示動態分析計算。

4 計算結果與分析

4.1 應力云圖對比分析

(1)采用ABAQUS軟件建模，并模擬對梁端施加10 mm、20 mm、40 mm、60 mm、80 mm五級位移荷載，整理各構件應力變化如表3所示。由表3可知在各級荷載作用下混凝土梁的受壓區逐漸加大，最大壓應力變化不大，且未屈服；混凝土柱在各級荷載作用下壓應力逐漸增加；柱內型鋼主要起連接作用，應力較小；螺栓和梁內型鋼在各級荷載作用下應力均處于彈性階段，變化范圍不大；在位移加載40 mm時，梁柱節點處混凝土梁產生細微的受拉裂縫。部件應力分布結果如圖4所示。

表3 端板式構件應力變化 MPa

圖4 80 mm位移荷載作用下各構件應力云圖

分析圖4可知，對于裝配式結構節點連接處應力變化較大，節點上部以鋼材受拉為主，下部以混凝土受壓為主，有限元模擬應力變化與經驗結論吻合。由圖4(a)、圖4(b)可知混凝土梁受壓應力較大，混凝土柱應力變化相對較小。由圖4 (c)、圖4(d)可知螺栓應力較大，在各級荷載作用下受拉范圍由上至下逐步加大。螺栓應力主要分布在螺桿與承壓鋼板孔相交處應力最大；梁端承壓鋼板應力變化較大，變化云圖如圖5所示；對比現澆梁柱結構在位移荷載作用下應力云圖如圖6所示。

圖5 不同荷載下梁內型鋼應力變化云圖

圖6 現澆梁柱節點在各級荷載作用下應力云圖

分析圖5可知，型鋼變化范圍沿梁上翼緣呈“心”形擴散。最大應力出現在受拉區與螺栓接觸部位。由圖6可知，現澆梁柱節點的應力主要表現為梁上部受拉、下部受壓，且下部節點承受壓應力擴散趨勢大于上部節點；當梁荷載逐漸增大時，柱內應力增大明顯。

4.2 承載能力分析

通過在梁端施加五級位移荷載，獲得單調位移荷載作用下裝配式與現澆結構節點承載能力值如表4所示，并繪制位移-荷載曲線見圖7。

由圖7數據可知，當梁端位移加載至8 mm前，現澆節點斜率K1大于裝配式節點K2(即K1>K2)，此時裝配式節點與現澆節點均處于彈性階段，現澆節點在位移荷載作用下，反應出承載能力較大，裝配式節點承載能力較小，主要是因為裝配式節點鋼板與鋼板、螺栓與鋼板在小位移荷載作用下，有一個接觸過程。當位移荷載加至8 mm以上時，裝配式節點在荷載作用下接觸面緊密，剛度較大，節點承載能加較大。

表4 節點承載力對比 kN

圖7 位移荷載曲線

5 結論

本文基于傳統裝配式結構節點連接特征，提出一種新型端板式裝配梁柱連接節點，利用有限元軟件在5級位移荷載下進行有限元分析，并與傳統現澆節點對比分析，以驗證新型端板式梁柱節點設計的合理性，了解本新型端板式梁柱連接節點的受力性能和承載能力，有限元分析結構表明：

(1)新型端板式裝配梁柱連接節點與傳統現澆節點，兩種節點荷載—位移曲線發展規律基本一致。新型結構節點承載能力高于傳統現澆結構，提高約50 %。承載力提高程度與端板的厚度和螺栓直徑有關，證明新型端板式裝配梁柱連接節點具有一定的承載力，滿足“強節點”的概念設計要求。

(2)梁在負彎矩作用下，梁上型鋼端板應變變化范圍較大，在梁端上部應力最大，并由上至下、由腹板向端部逐漸減弱；應力應變分布狀況與經驗結論吻合。

(3)本文所設計的新型端板式裝配梁柱連接節點，施工工藝簡便、工期短、承載能力高；與此同時，本文未考慮地震作用對結構的影響，以及忽略混凝土與型鋼粘結作用，具有進一步研究價值。