鋼管混凝土與型鋼梁端板連接構(gòu)件的靜力性能分析

胡珊珊

（六安職業(yè)技術(shù)學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院，安徽六安237158）

鋼管混凝土因其優(yōu)異的性能在工程建設(shè)中得到廣泛的應(yīng)用，鋼管混凝土柱可以很好發(fā)揮鋼材和混凝土兩種材料的特點(diǎn)，鋼管置于混凝土外側(cè)，限制混凝土受壓后的側(cè)向變形，同時混凝土也加強(qiáng)了型鋼的抗彎剛度。較普通混凝土，鋼管混凝土柱可以承受更大的軸向壓力。因此，鋼管混凝土正逐步推廣應(yīng)用于高層和廠房結(jié)構(gòu)中。節(jié)點(diǎn)是框架結(jié)構(gòu)中連接梁和柱的關(guān)鍵受力部位，在抗震中應(yīng)把握“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，弱構(gòu)件”的設(shè)計原則[1]。目前，鋼管混凝土與鋼梁的連接形式分為焊接和螺栓連接兩種[2]，其中端板高強(qiáng)螺栓連接的端板在工廠與梁端預(yù)先焊接在一起，避免了現(xiàn)場焊接的環(huán)境影響，在現(xiàn)場僅需要用高強(qiáng)螺栓連接，施工速度快，抗震性能好。國內(nèi)外對平面型鋼柱與鋼梁端板連接的研究結(jié)果較為成熟，但對鋼管混凝土柱與鋼梁端板的連接研究較少[3]，筆者通過靜力試驗(yàn)對鋼管混凝土柱與鋼梁端板連接節(jié)點(diǎn)處的受力特征、剛度和破壞模式等進(jìn)行分析研究。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

相比于中柱節(jié)點(diǎn)的雙向受力，邊柱節(jié)點(diǎn)不對稱，水平方向受力不均衡，研究更具代表性[4]。本試驗(yàn)共采用了截面形式為圓弧形的2 個不同厚度端板的連接形式，端板厚度分別為12mm 和16mm，相應(yīng)構(gòu)件分別定義為GJ1 和GJ2。端板預(yù)先在工廠加工完成，采用雙面角焊縫連接。鋼管柱的截面尺寸b×t 為200mm×10mm，型鋼梁截面尺寸hb×tw×tf×bf為300mm×150mm×6mm×10mm。連接螺栓采用10.9級M20 摩擦型高強(qiáng)螺栓，并在螺母端部焊接加長螺紋鋼，以增強(qiáng)錨固作用，提高節(jié)點(diǎn)的整體性和剛度。試驗(yàn)中的各種材料鋼材、混凝土和高強(qiáng)螺栓等均進(jìn)行了材性試驗(yàn)。為了測量節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的應(yīng)力分布和端板應(yīng)變，在構(gòu)件上布置了單向和多向電阻應(yīng)變片，并放置了位移計測量位移和轉(zhuǎn)角，如圖1所示。

圖1 位移計放置圖

在正式加載前，先對結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)加載，并對鋼管混凝土柱按照預(yù)設(shè)軸壓比0.2 進(jìn)行加載。為了避免節(jié)點(diǎn)處梁端出現(xiàn)不易控制的較大變形[5]，對梁端的加載采用位移控制的單調(diào)靜力加載模式。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 破壞形態(tài)

GJ1 在破壞時端板已進(jìn)入屈服階段，發(fā)生了較大起鼓變形，脫離了鋼管柱，梁端下翼緣也發(fā)生凹曲變形。GJ2 在破壞時，端板仍然處于彈性階段，并無明顯變形，梁端下翼緣發(fā)生了較大程度的凹曲變形，并伴有腹板的屈曲變形。較GJ1 而言，雖然GJ2 的較厚端板仍處于彈性狀態(tài)，但梁卻表現(xiàn)得更加薄弱。這表明節(jié)點(diǎn)的破壞模式與端板厚度有直接關(guān)聯(lián)。破壞時，GJ1和GJ2 節(jié)點(diǎn)核心區(qū)鋼管內(nèi)的混凝土由于受到鋼管的保護(hù)并未出現(xiàn)裂縫，螺栓周邊的混凝土出現(xiàn)輕微松動和脫落，這是由于梁端的屈曲變形拉動螺栓，降低了螺栓的承載能力引起。鋼筋與螺栓的焊接處完好，表明了節(jié)點(diǎn)核心區(qū)保持了可靠的整體性。鋼管混凝土柱并未發(fā)生屈曲變形，內(nèi)部連接件也完好，這也印證了“強(qiáng)柱弱梁”的抗震設(shè)計原則[6]。

2.2 節(jié)點(diǎn)荷載變形關(guān)系

框架節(jié)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)受力的核心部位，常通過M- θr關(guān)系反映變形特征。當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)生屈服變形時，剛度明顯降低，承載力也隨之下降。只有控制好節(jié)點(diǎn)的變形，才能保證節(jié)點(diǎn)良好的傳力性能。試驗(yàn)通過MTS 液壓伺服加載系統(tǒng)自動記錄節(jié)點(diǎn)梁端的豎向荷載和位移，研究連接件的變形特點(diǎn)[7]。

試驗(yàn)得到的節(jié)點(diǎn)M- θr關(guān)系曲線如圖2所示，其中細(xì)實(shí)線表示GJ1，粗實(shí)線表示GJ2。①號位置表示連接端板脫離鋼管混凝土柱的時刻；②號位置表示梁受壓區(qū)翼緣發(fā)生屈服變形的時刻。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)連接板脫離柱壁時，GJ2 所承受彎矩大于GJ1，轉(zhuǎn)角變形量小于GJ1。梁受壓翼緣屈曲時，GJ2 的轉(zhuǎn)角變形量遠(yuǎn)小于GJ1。這說明，對于同種類型的連接件，適當(dāng)增加端板厚度可以增大節(jié)點(diǎn)連接的強(qiáng)度和剛度，且此類節(jié)點(diǎn)的延性較好，有較大的安全儲備能力。曲線下降段，相同轉(zhuǎn)角變形的情況下，GJ2 所受彎矩值略高于GJ1，這是由于梁的較大變形所致。

圖2 M-θr 關(guān)系曲線

2.3 鋼梁應(yīng)變分析

為了研究鋼梁梁端的應(yīng)變分布，沿梁高分別在上翼緣、腹板和下翼緣及對稱部位布置了多個應(yīng)變片。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)鋼梁處于彈性階段時，梁端應(yīng)變沿梁截面成線性分布，符合平截面假定；當(dāng)荷載大于極限荷載的50%時，梁端截面應(yīng)變呈現(xiàn)非線性變化。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)看出，端板厚度對梁端截面應(yīng)變分布的影響并不明顯。通過鋼梁翼緣位置應(yīng)變的變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，靠近梁端的翼緣位置應(yīng)變較大，遠(yuǎn)離梁端的翼緣位置應(yīng)變較小。由距離梁端最近位置的應(yīng)變片的數(shù)據(jù)可知，該位置梁翼緣率先屈服，屈服應(yīng)變達(dá)到約1800με。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，GJ2 的端板厚度較大，梁端翼緣應(yīng)力值比GJ1 相應(yīng)位置較小。

2.4 端板應(yīng)變分析

GJ1 和GJ2 的端板應(yīng)變分布情況對比如圖3所示。GJ1 端板在最大受壓和受拉位置基本達(dá)到屈服，屈服應(yīng)變約1600με；GJ2 端板在極限荷載作用下，并未發(fā)生屈服，最大應(yīng)變約占屈服應(yīng)變的0.75。這表明，在其他條件相同的情況下，端板厚度對端板應(yīng)變分布的影響較明顯。

2.5 鋼柱應(yīng)變分析

通過鋼管最大彎矩位置翼緣縱、橫向的應(yīng)變分布發(fā)現(xiàn)，GJ2 的柱翼緣各應(yīng)變片的應(yīng)變略小于GJ1，鋼管翼緣縱向與橫向在極限荷載下的最大應(yīng)均小于屈服應(yīng)變1850με，整個鋼管處于完全彈性狀態(tài)。

GJ1 和GJ2 鋼管柱腹板位置的應(yīng)變分布情況如圖4所示。39# 應(yīng)變片表示柱腹板縱向應(yīng)變，40# 應(yīng)變片表示柱腹板45°斜向應(yīng)變，41# 應(yīng)變片表示柱腹板橫向應(yīng)變。分析可知，2 個試件的鋼管柱腹板橫向應(yīng)變最大，45°次之，縱向應(yīng)變最??；連接端板厚度較大時，柱腹板應(yīng)變較小，說明端板厚度在一定程度上影響鋼管混凝土柱的應(yīng)變分布。

圖4 鋼管柱腹板的應(yīng)變分布

3 非線性分析

運(yùn)用ABAQUS 軟件對試驗(yàn)鋼管混凝土端板連接構(gòu)件建立模型，并進(jìn)行單調(diào)加載下的非線性有限元模擬，驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果并分析連接節(jié)的各種破壞模態(tài)。圖5為外伸端板連接節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線與非線性模擬的對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)計算機(jī)模擬結(jié)果與試數(shù)據(jù)果吻合程度較好。

圖5 試驗(yàn)彎矩- 轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線與軟件計算曲線對比

通過有限元軟件分析鋼管混凝土端板連接的連接端板破壞、鋼管柱破壞和螺栓破壞三種形態(tài)[8]。模擬分析發(fā)現(xiàn)，端板破壞時，端板的最大應(yīng)力發(fā)生在受拉翼緣焊接位置，端板形成塑性鉸。如果鋼管柱壁設(shè)計較薄弱，在梁端拉力作用下，螺栓從節(jié)點(diǎn)拔出從而喪失承載能力[9]，鋼管柱破壞不符合“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計要求[10]，工程中應(yīng)避免。若螺栓設(shè)計較少或強(qiáng)度不足，則會發(fā)生螺栓被拉變形甚至發(fā)生斷裂。螺栓破壞屬于脆性破壞，螺栓一旦失效，則喪失構(gòu)件對節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的傳力，因此工程中應(yīng)合理設(shè)計保證螺栓連接有足夠的可靠性。分析發(fā)現(xiàn)，第一排螺栓的受力和變形較大，在設(shè)計時應(yīng)當(dāng)予以適當(dāng)加強(qiáng)。

4 結(jié)論

通過對兩組鋼管混凝土不同厚度端板連接構(gòu)件的靜力加載試驗(yàn)，對節(jié)點(diǎn)的受力特征、M- θr關(guān)系、破壞模式和關(guān)鍵部位的應(yīng)力應(yīng)變分布進(jìn)行了分析，得出如下結(jié)論。

（1）在連接件的螺栓尾部焊接螺紋鋼筋，可以提高連接件的整體受力性能和剛度。在合理設(shè)計的條件下，端板和梁先于鋼管柱破壞，鋼柱沒有發(fā)生屈服，滿足“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計要求。適當(dāng)增加連接板厚度，可以降低轉(zhuǎn)角變形量，增加整體剛度。

（2）型鋼梁應(yīng)變分析可知，端板厚度雖然對梁端截面應(yīng)變分布的影響并不明顯，但隨著端板厚度增大，梁端翼緣應(yīng)力值變小。連接端板在增加端板厚度后，并未發(fā)生屈服，保持彈性，具有較強(qiáng)剛度。

（3）運(yùn)用有限元軟件建模分析了連接件的受力性能和破壞特征，與試驗(yàn)結(jié)果吻合，并分析了連接端板破壞、鋼管柱破壞和螺栓破壞三種形態(tài)的破壞特征，為設(shè)計提供依據(jù)。

綜上所述，筆者所研究的這種鋼管混凝土端板連接具有較好的強(qiáng)度、剛度和延性，可在組合框架結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)中推廣使用。