新型矩形鋼管混凝土柱-H鋼梁節(jié)點性能研究

龔永慶 黃楚熙 龔旭峰 劉玉濤 段坤朋 徐 晗

（1.中天建設集團有限公司，杭州310005；2.浙江中天恒筑鋼構有限公司，杭州310008）

0 引 言

鋼結構建筑中方鋼管混凝土柱-H 型鋼梁梁柱節(jié)點有隔板式和環(huán)板式。這兩類節(jié)點存在凸梁凸柱現(xiàn)象，不利于建筑墻體排布和立面處理，且對室內(nèi)凈空也有影響。目前常見的解決方案一是將方柱作扁作長［1］，以便埋入墻中；二是參照混凝土L型、T型等異形墻體、柱的做法，進行方鋼管異形柱的研究［2-3］；三是節(jié)點處取消隔板、環(huán)板，減小節(jié)點容量。

某在建杭州鋼結構住宅樓項目，鋼框架-鋼板剪力墻結構體系，高度99.8 m，實景圖見圖1。

梁柱節(jié)點采用外貼板式節(jié)點（以下統(tǒng)稱為A型，見圖2）在鋼梁翼緣兩側各增加一塊貼板與鋼管柱連接，有效減少了節(jié)點處的外凸寬度，方便建筑處理，節(jié)點簡圖如圖1 所示。對A 型節(jié)點進行微改進，將外貼板內(nèi)移，與柱外側箱板平齊，得圖3外伸板式B型節(jié)點。

圖1 在建項目實景圖Fig.1 Project overview

矩形鋼管柱截面，Q345B 鋼材，內(nèi)灌C60 自密實混凝土。H 型鋼梁貼板或伸板厚度8 mm，高度110 mm，伸出柱面長度205 mm，與梁翼緣中對中平齊。鋼梁及貼板材質(zhì)同矩形鋼管。B 型節(jié)點的梁寬為184 mm。A、B 型截面節(jié)點幾何尺寸見圖2、圖3，本文就這兩類節(jié)點在不同軸壓比、低周反復荷載作用下的節(jié)點性能進行分析，最后對節(jié)點的加工制作及建筑使用性方面作簡要論述。該項目研究依托中天建設集團2016 年度技術研發(fā)項目【編號：ZTYF-2016-09】。

圖2 貼板式節(jié)點（A型）Fig.2 A type

1 有限元模型

1.1 模型構造及參數(shù)設計

本文以中柱單向連接節(jié)點為研究對象，模型主要包括外約束方鋼管、柱內(nèi)混凝土、鋼梁、貼板或伸板等部分，模型試件的幾何構造如圖2、圖3所示。鋼梁的上、下翼緣鋼管外壁雙面角焊縫連接，貼板或伸板內(nèi)側與鋼梁翼緣交疊區(qū)雙面角焊縫連接。

分析不同鋼管截面及配套鋼梁截面的節(jié)點在純彎和壓彎兩種受力狀態(tài)下的結構特性，壓彎狀態(tài)下考慮不同軸壓比，根據(jù)《鋼結構設計標準》［4］規(guī)定，鋼管混凝土柱抗震等級為二級，軸壓比限值為0.8，節(jié)點試件參數(shù)如表1所示。

圖3 伸板式節(jié)點（B型）Fig.3 B type

表1 試件參數(shù)Table 1 Component parameter

1.2 有限元建模參數(shù)

1.2.1 材料本構關系

采用Abaqus 有限元軟件進行數(shù)值模擬。材料本構參照韓林海和楊有福［5］的方法構建，鋼材及混凝土塑性應力應變曲線見圖4-圖6。

圖4 Q345塑性σ-ε曲線Fig.4 Plastic stress and strain curve of Q345 steel

圖5 C60混凝土壓縮塑性σ-ε曲線Fig.5 Compression plastic σ-ε curve of C60 concrete

圖6 C60混凝土拉伸塑性σ-ε曲線Fig.6 Tension plastic σ-ε curve of C60 concrete

1.2.2 單元類型及接觸、約束邊界條件

模型采用二次三維實體單元，鋼結構及混凝土采用8 節(jié)點減縮積分格式的C3D8R 實體單元。單元網(wǎng)格劃分尺寸在經(jīng)過試算并考慮求解速度和精度的基礎上確定，節(jié)點模型網(wǎng)格劃分如圖7所示。

鋼管與混凝土的接觸之間采用Abaqus 的面面接觸，法向方向兩者不能相互穿透，切向方向考慮庫倫摩擦，普通鋼板與混凝土摩擦傳遞系數(shù)取0.6［6］。柱兩端鉸接，并限制平面外轉動。壓彎狀態(tài)下柱底部鉸接并約束平面外轉動自由度，柱頂約束X、Y 向平動及面外轉動自由度，邊界條件示意圖如圖8所示。

圖7 模型網(wǎng)格劃分Fig.7 Meshing of model

圖8 邊界條件示意圖Fig.8 Boundary conditions

1.2.3 循環(huán)加載

柱頂施加軸力，梁端施加低周反復位移荷載。根據(jù)霍靜思［7］的研究，節(jié)點加載方式對力學性能并無明顯影響，采用轉角位移加載模式，時長160 s，分20 級，每一級循環(huán)兩次，控制梁端加載最大轉角0.046 4 rad，加載模式見圖9。

2 有限元分析結果

計算過程分兩個步驟：先施加柱頂軸力，再施加梁端轉角位移，全程打開大變形開關。

2.1 彎矩-轉角滯回曲線及特征分析

圖10給出了各軸壓比下試件的彎矩-轉角滯回曲線。曲線形狀飽滿，沒有捏攏現(xiàn)象，隨著軸力的增加，節(jié)點耗能滯回環(huán)逐漸變扁。純彎節(jié)點耗能能力最優(yōu)，軸壓比0.1～0.5 時，耗能能力逐漸下降，軸壓比在0.6 及以上時，耗能能力顯著下降。總體上兩類節(jié)點都表現(xiàn)出了良好的耗能性能。

圖11 給出了在軸壓比0.1 下兩類節(jié)點的滯回環(huán)對比。兩類節(jié)點的極限轉角基本相同，極限彎矩A 類略大于B 類，原因分析在于B 類節(jié)點為了空間犧牲了部分梁寬，導致截面剛度不如A 類。但兩者的滯回曲線走勢基本一致，無特殊差別。

當前常用的耗能性能評價指標［8］為能量耗散系數(shù)E和等效黏滯阻尼系數(shù)ζeq。兩個參數(shù)的計算如圖12及式（1）、式（2）所示。

圖9 梁端豎向往復位移加載曲線Fig9 Vertical reciprocating displacement loading curve

圖10 節(jié)點彎矩-轉角（M-θ）滯回曲線Fig.10 Moment-angle hysteresis curve

圖13、圖14 給出了各試件的耗能性能參數(shù)。試件的能量耗散系數(shù)E取2.1左右，等效黏滯阻尼系數(shù)ζeq取0.33 左右，根據(jù)相關研究結果表明，鋼筋混凝土節(jié)點的等效黏滯阻尼系數(shù)ζeq在0.1 左右，型鋼混凝土節(jié)點的等效黏滯阻尼系數(shù)ζeq在0.3左右，本文A、B兩類試件的能量耗散系數(shù)和等效黏滯阻尼系數(shù)數(shù)值相近，且均大于型鋼混凝土節(jié)點的等效黏滯阻尼系數(shù)，表明試件的耗能性能良好，滿足結構抗震設計要求。

圖11 軸壓比0.1下兩類節(jié)點彎矩-轉角（M-θ）滯回曲線對比Fig.11 Moment-angle hysteresis curve comparison of two types with axial pressure ratio 0.6

圖12 等效黏滯阻尼系數(shù)計算Fig12 Equivalent viscous damping coefficient calculation

圖13 能量耗散系數(shù)Fig13 Energy dissipation coefficient

2.2 骨架曲線分析

圖15給出了依托滯回曲線得出的彎矩-轉角骨架曲線，各試件的骨架曲線正反向基本對稱，經(jīng)彈性變形后進入承載力強化階段和彈塑性階段。表2給出了軸壓比0.1下的試件屈服、極限及延性指標，其余軸壓比下試件特性類同，此處不再羅列。

圖14 等效黏滯阻尼系數(shù)Fig14 Equivalent viscous damping coefficient

表2 各試件屈服、極限及延性指標Table 2 Yield，limit and ductility of components

圖15 不同軸壓比下節(jié)點彎矩-轉角（M-θ）骨架曲線Fig15 Moment-angle skeleton curve under different axial pressure ratio

由圖15 及表2 可知，各試件屈服轉角在0.016rad 左右，隨著鋼梁截面的變大，屈服彎矩增大，高度相同的A 類截面屈服彎矩大于B 類截面，各試件延性系數(shù)在2.6～2.9之間，滿足鋼筋混凝土結構對延性系數(shù)不小于2的要求。

2.3 等效剛度分析

各軸壓比下試件的等效剛度退化曲線，見圖16?？芍?，各試件在正負兩個方向等效剛度退化規(guī)律大體相似，加載初始的彈性階段，等效剛度基本保持不變或有緩慢下降，隨后剛度退化速度開始加快，從開始屈服到強化階段，等效剛度退化速度最快，隨著試件進入彈塑性階段，剛度退化速度減緩，剛度退化主要是由試件局部的塑性發(fā)展和破壞位置的損傷累積所引起。各試件初始正向剛度和初始負向剛度并不完全相同，大體上初始正向剛度略大于初始負向剛度，隨著軸壓比的升高，各試件的初始剛度都略有增大，比較A、B 兩類節(jié)點，在相同梁截面高度和相同軸壓下，A 類的初始剛度大于B 類，以試件1-1 和1-2 為例，A 類的1-2試件較B類的1-1試件初始剛度大了10%，主要因為B類鋼梁的截面寬度小于A類。

2.4 應力分布及破壞形態(tài)

圖17 給出了試件（以試件1-1、1-2 為例，軸壓比0.1情況下）從加載初直到破壞的全過程應力分布及變化情況（0 s，40 s，80 s，120 s，160 s 五個時點）。

可知，在循環(huán)荷載作用下，首先在節(jié)點核心區(qū)強度、變形開始增長，緊接著核心區(qū)鋼梁翼緣開始屈服，柱兩側的貼板或伸板也開始屈服，隨著加載深入，塑性區(qū)開始往梁外側和腹板擴展。滿足剛性節(jié)點塑性區(qū)外移的要求。

對比A、B 兩類節(jié)點塑性開展，都開始于貼板或伸板的屈服，此處為節(jié)點的薄弱點。B 類節(jié)點由于伸板不連續(xù)，塑性開展傳遞至鋼管外壁，并慢慢在核心區(qū)形成斜十字交叉的應力帶，A 類節(jié)點由于側板的連續(xù)，塑性開展先經(jīng)有側板傳遞給兩側的鋼梁，部分傳遞至鋼管外壁，但大部分都由側板自身承擔，鋼管作用未能有效發(fā)揮。

圖16 不同軸壓比下節(jié)點等效剛度退化曲線Fig.16 Stiffness degradation curve under different axial compression ratio

2.5 規(guī)范對剛性節(jié)點的要求

《建筑抗震設計規(guī)范》（GB 50011—2010）（以下簡稱“抗規(guī)”）8.2.8條規(guī)定［9］，對以抗彎控制為主的鋼結構剛性連接，要滿足式（3）的要求。

對本文試件做如上復核，結果如表3所示。

抗規(guī)表8.2.8 要求Q345 鋼材牌號下，梁柱焊接的剛性連接要求ηj為1.3，表3 的結果表明A、B類節(jié)點不滿足剛性連接的要求，從有限元分析結果看，兩類節(jié)點都滿足強節(jié)點、弱構件的準則，且塑性區(qū)都有效外移，從概念上看都滿足剛性節(jié)點的要求，不滿足抗規(guī)的計算要求，這與構件的高度、板件的厚度及鋼材牌號等都相關，后續(xù)可以就這些方面開展更深入的研究。

表3 節(jié)點剛性驗算Table 3 Rigidity check of joints

3 工藝及適用性比較

A、B 型節(jié)點都可在工廠加工制作完成，包括牛腿、貼板或側板。B 型節(jié)點的焊縫數(shù)量相對較少，且伸板的材料用量少于貼板，一定程度能節(jié)約鋼材。另外，在相同柱寬條件下，B 型節(jié)點的鋼梁寬度能做得更小，有利于空間的節(jié)省和利用，且不存在外凸的問題，也有利于砌體、門窗等的連接，示意圖見圖18。另外，貼板由于與柱是面外連接，力與變形的傳遞沒有伸板類連接直接有效，且面外傳遞有增加節(jié)點處鋼管壁的失穩(wěn)風險。綜合以上兩條，B型節(jié)點具備一定的優(yōu)勢。

圖17 試件節(jié)點核心區(qū)應力隨位移加載變化分布Fig.17 Variation distribution of stress with displacement in core area of each component

圖18 貼板或側板式節(jié)點與墻體關系Fig.18 The relationship between the joint and the wall

4 結 論

通過實際項目的實施和改進，對新型的矩形鋼管混凝土柱-H 型鋼梁節(jié)點進行微改進，得到形式略微不同的另一種適用于鋼結構住宅的節(jié)點。比較分析不同軸壓比下兩類節(jié)點的Mises 應力、滯回曲線、骨架曲線、等效剛度退化曲線及比較規(guī)范對剛性連接的要求，結合相關性能參數(shù)及工藝、適用性，結論如下：

（1）兩種節(jié)點的滯回曲線都很飽滿，都表現(xiàn)出優(yōu)異的耗能能力，從節(jié)點應力云圖可知，兩類節(jié)點的塑性開展過程大體相似，側板或貼板的存在有效緩阻了節(jié)點核心區(qū)的塑性開展，符合強節(jié)點弱構件的概念要求。

（2）各軸壓比下試件的等效剛度退化曲線，正負兩個方向等效剛度退化規(guī)律大體相似，各試件初始正向剛度和初始負向剛度并不完全相同，大體上初始正向剛度略大于初始負向剛度，隨著軸壓比的加大，各試件的初始剛度都略有增大，比較A、B兩類節(jié)點，由于A類節(jié)點較大，在相同梁截面高度和相同軸壓下，A類的初始剛度大于B類。

（3）節(jié)點的損壞都出現(xiàn)在鋼梁處，且貼板或伸板有效地外移了鋼梁的塑性區(qū)域，保證了節(jié)點的安全，但文中的節(jié)點構件截面形式并不滿足抗規(guī)關于剛性連接的計算要求。

（4）施工工藝方面兩者都可以工廠化制作加工，B 型節(jié)點的焊縫數(shù)量相對較少，且伸板用料少，能節(jié)約部分鋼材，并較A型節(jié)點在空間要求方面更少。因而，在一定程度上，其適用性會更廣。

（5）節(jié)點的力學性能當前局限于理論和數(shù)值模擬，需試驗數(shù)據(jù)進一步論證。