方中空夾層鋼管混凝土柱-鋼梁單邊螺栓連接節點靜力性能有限元分析

黃春曉，潘福婷，趙 莉，王 穎

(1.建筑結構安徽省普通高校重點實驗室(安徽新華學院)，安徽 合肥 230088；2.安徽新華學院 城市建設學院，安徽 合肥 230088)

0 引言

近年來，在高層和超高層建筑結構中，鋼管混凝土結構較多應用在軸心或偏心受壓構件[1]中，然而當構件長細比較大或者荷載偏心率較大時，形心處的核心混凝土不足以提供有效的抗彎承載力。中空夾層鋼管混凝土(concrete filled double skin steel tube,CFDST)柱是在同心放置的兩層鋼管之間的夾層部位澆筑核心混凝土形成的一種組合構件，以其抗彎剛度大、耐火性能好、自重輕、塑性和韌性好等優點在超高層建筑、大尺寸灌注樁、輸電塔、深海平臺支架柱以及對耐火、抗冰凍要求較高的環境等結構領域得到了廣泛的應用[2]。

目前端板式螺栓連接節點的受力性能研究主要針對H型鋼梁-H型柱，而閉口截面形式的柱體由于施工難度大導致研究較少。單邊螺栓具有單側安裝、單側擰緊、受力性能可靠和施工便捷等優點，較好地解決了閉口截面形式鋼構件之間的連接難題，常見的單邊螺栓有Hollo-bolt和One side-bolt。

王靜峰等[3]以柱截面空心率、端板形式等為參數，進行了方套方CFDST柱單邊螺栓連接節點的擬動力試驗，獲得了各種工況下節點的動力特性和破壞模式。楊文偉等[4]通過4個中空夾層鋼管混凝土-鋼管K形搭接節點的抗震性能試驗，得到了組合節點的破壞形態和抗震性能指標。霍永倫等[5]進行了單邊螺栓連接的圓形CFDST柱-鋼梁組合節點的抗震試驗，研究表明組合節點具有較高的承載力和良好的滯回性能。目前，關于該類新型節點的工作機理分析及數值模擬的研究較少。

本文利用ABAQUS有限元軟件，考慮材料本構關系、復雜接觸和界面摩擦等問題，建立外伸端板連接的方套方截面CFDST柱-鋼梁組合節點的靜力模型，利用已有試驗驗證模型的準確性；深入研究材料強度、組合柱空心率、螺栓直徑、螺栓預拉力和端板厚度等參數對組合節點核心域彎矩(M)-轉角(θ)關系的影響規律，以期為此類節點在工程領域的設計和應用提供科學參考。

1 有限元模型建立

1.1 模型設計

該節點由方套方截面的CFDST組合柱與H型鋼梁拼接而成，節點為中間層中柱節點，構造如圖1(a)。鋼梁與外伸端板之間、鋼梁腹板與上下翼緣之間采用焊接連接，組合柱翼緣與外伸端板之間采用單邊螺栓連接。

圖1 典型節點構造圖

1.2 材料性能

內外鋼管采用的鋼材應力-應變關系選用二次塑流模型[6]，單邊螺栓采用的高強鋼材選用雙線性強化模型[7]，如圖2所示。

圖2 鋼材的應力-應變關系

柱內核心混凝土采用文獻[8]中的應力-應變關系曲線，數學表達式如下式所示：

(1-1)

式中：

1.3 網格劃分和接觸定義

節點模型中各組件均采用8節點的六面體C3D8R單元進行模擬，對節點核心區部位利用網格加密法精細劃分，如圖3所示。涉及的接觸有內外鋼管與核心混凝土、外鋼管外側與外伸端板、外伸端板與單邊螺栓、內外鋼管與單邊螺栓、核心混凝土與單邊螺栓。模型中所有的接觸界面法線方向采用“硬接觸”，切線方向采用庫倫摩擦(組合柱與端板之間摩擦系數取0.8，內外鋼管與核心混凝土之間摩擦系數取0.45)進行模擬。H型鋼梁與外伸端板之間的焊接連接采用“綁定”約束。

圖3 節點部件的網格劃分圖

1.4 邊界條件和加載制度

該外伸端板連接的組合節點計算模型如圖4所示。在柱底、梁兩端和柱頂加載點處設置參考點進行耦合，柱腳按照鉸接進行模擬，即Ux=Uy=Uz=0；左右鋼梁兩端各自同時施加X和Z向的位移約束，即Ux=Uz=0。加載時第一步對單邊螺栓施加預緊力，第二步在組合柱頂施加軸向力，第三步采用位移控制加載水平荷載P。

圖4 外伸端板連接節點計算模型

2 有限元模型驗證

2.1 已有試驗概況

選取文獻[9]中外伸端板連接的實心方鋼管混凝土柱-鋼梁單邊螺栓連接節點靜力試驗進行數值模擬。鋼梁型號為H300mm×150mm×6mm×10mm，梁長1700mm；組合柱外鋼管為200mm×10mm，柱高1625mm，所用鋼材特性的具體參數見表1；核心混凝土抗壓強度為33521N/mm2，彈性模量取44.34N/mm2；梁柱連接采用10.9級M20單邊摩擦型高強螺栓。

表1 鋼材材性

2.2 有限元結果與對比

采用上述方法對2個組合節點進行建模分析，得到了外伸端板連接節點的彎矩-轉角曲線和破壞模態，并與試驗結果進行對比，見圖5與圖6，總體吻合良好，驗證了有限元模型的合理性。

圖5 節點區彎矩-轉角關系結果比較

圖6 試件破壞形態結果比較

3 參數分析

針對本文前述的外伸端板連接的方套方截面CFDST柱-H型鋼梁單邊螺栓連接節點，選取了鋼材強度(H型鋼梁屈服強度fy,b、柱鋼管屈服強度fy,c)、幾何參數(柱空心率χ、柱長細比λ、柱截面含鋼率α、螺栓直徑d、端板厚度tep)和荷載參數(螺栓預拉力P/P0，P0為《鋼結構設計規范》GB50017-2017[10]規定的10.9級M20螺栓預拉力，P0=155kN)對節點承載力和初始剛度進行參數分析，參數取值見表2。不同參數對組合節點核心區M-θr關系曲線的影響見圖7。

表2 參數類型和取值

(1)H型鋼梁屈服強度fy,b。由圖7a可知，節點極限承載力隨著fy,b的增大而增大，初始剛度基本保持不變。與235MPa相比，fy,b取345、420、550MPa的極限承載力分別提高18.5%、25.9%和33.3%。

(2)組合柱鋼管屈服強度fy,c。由圖7b可知，節點極限承載力隨著fy,c的增大而增大，初始剛度變化并不明顯。與235MPa相比，fy,c取345、420、550MPa的極限承載力分別提高21.4%、28.6%和35.7%。

(3)組合柱空心率χ。由圖7c可知，節點彈性階段承載力和初始剛度隨χ的增大而減小，后期塑性階段變化不明顯。與0.49相比，χ取0.65和0.76的極限承載力分別降低3.1%和6.3%，彈性剛度則降低34%和60%。

(4)組合柱長細比λ。由圖7d可知，節點彈性階段承載力隨λ的增大而增大，初始剛度變化不明顯。與17.92相比，λ取30.72和51.19時，彈性階段承載力分別增大2.9%和8.8%。

(5)組合柱含鋼率α。由圖7e可知，節點初始剛度隨α的增大而增大，對承載力的影響并不明顯。與0.14相比，α取0.32和0.54時，彈性階段初始剛度分別增大40.8%和76.1%。

(6)螺栓直徑d。由圖7f可知，節點極限承載力隨d的增大而增大，對初始剛度影響不明顯。與16mm相比，d取20mm和28mm時，極限承載力分別增大9.4%和15.6%。

(7)端板厚度tep。由圖7g可知，節點極限承載力和初始剛度隨tep的增大而增大。與8mm相比，tep取16mm和28mm時，極限承載力分別增大78%和106%，初始剛度分別增大74.8%和133%。

(8)螺栓預拉力P。由圖7h可知，節點極限承載力隨P的增大而增大，彈性階段初始剛度影響并不明顯。與0.25P0相比，P取0.75P0、P0和1.5P0時，極限承載力分別增大14.6%、41.7%和75%。

圖7 不同參數對節點M-θr關系曲線的影響

4 結論

(1)基于非線性材料本構關系，采用有限元軟件ABAQUS，建立了外伸端板連接的方CFSDT柱-鋼梁單邊螺栓節點的數值模型。

(2)與已有試驗的現象和結果進行對比，節點的破壞模式類似，核心區M-θr曲線吻合良好，證明所建模型的準確性。

(3)對于本文所建外伸端板連接的組合節點，隨著鋼梁屈服強度、組合柱鋼管屈服強度、柱長細比、螺栓直徑、端板厚度和螺栓預拉力的增大極限承載力增大，隨著柱空心率的增大極限承載力減小；隨著柱含鋼率和端板厚度的增大及節點初始剛度增大，隨著柱空心率的增大初始剛度減小。

(4)數值模擬分析表明，單邊螺栓連接的方CFDST柱-鋼梁組合節點具有較高的承載能力，可以在高層或超高層鋼結構建筑中進行應用推廣。