型鋼混凝土柱-型鋼梁與鋼管混凝土柱-型鋼梁節點區力學性能對比

郭云龍 陳洪強 孫 斌

（1.中交一公局第三工程有限公司，北京 101102；2.哈爾濱地鐵集團有限公司，黑龍江哈爾濱 150080）

型鋼混凝土柱是在混凝土中配置型鋼的組合構件；部分情況下，構件內配置適當鋼筋。型鋼混凝土柱以配置型鋼為主，剛度較大；截面尺寸相同時，承載力顯著高于鋼筋混凝土構件；型鋼會對混凝土具有約束作用，能夠顯著提高構件延性，改善構件抗震性能。構件中的型鋼骨架可以直接承擔施工荷載，在混凝土未完全達到強度前支撐上部結構的施工荷載，以縮短工期，節約施工成本。鋼管混凝土柱是在空鋼管內澆筑混凝土并共同受力的組合構件。鋼管混凝土柱中，外包鋼管對核心混凝土具有較強的約束作用，混凝土處于三向受力狀態，有效提高了構件承載力、延性及耗能能力。同時，外包鋼管在施工時可以作為永久施工模板，能夠提前承擔上部結構施工荷載，節省工期，降低施工成本。目前，相關學者對上述兩類鋼-混凝土組合柱的靜力[1-2]、動力[3-4]、抗火[5-6]性能以及框架節點[7-8]性能進行了較為系統的研究，提出相關設計與計算方法。兩類鋼-混凝土組合柱在（超）高層建筑、大跨結構、橋梁結構中均得到廣泛運用。但是，目前缺乏二者力學性能的對比分析，在設計施工時如何有效選擇兩類構件尚存疑惑。因此，本研究以哈爾濱軌道交通3號線車輛基地工程中典型的組合柱-型鋼梁節點為例，采用通用有限元軟件ABAQUS，利用實體單元建模，對比型鋼混凝土柱-型鋼梁節點與鋼管混凝土柱-型鋼梁節點的受力特點，分析兩者的優劣勢，為施工設計提供相應建議。

1 有限元模型建立

1.1 構件尺寸

型鋼混凝土柱-型鋼梁采用哈爾濱軌道交通3號線車輛基地工程中典型節點尺寸。

型鋼柱截面尺寸如圖1所示。

圖1 型鋼柱截面尺寸（單位：mm）

型鋼梁截面尺寸如圖2所示。

圖2 型鋼梁截面尺寸（單位：mm）

型鋼梁截面為H型鋼，鋼梁高度1 250 mm，翼緣寬度500 mm，腹板厚度20 mm，翼緣厚度40 mm，具體長度根據相關資料計算，為2.75 m；型鋼混凝土柱截面為1 800 mm×1 600 mm，內部型鋼為十字形鋼，高度為建筑單層高度，取5 m。

鋼管柱截面如圖3所示。

圖3 鋼管柱截面尺寸（單位：mm）

鋼管混凝土柱截面尺寸與型鋼混凝土柱尺寸相同，為1 800 mm×1 600 mm；為保證其用鋼量與型鋼混凝土柱一致，厚度為18 mm，長度為5 m。

1.2 材料本構

本研究模型中型鋼與外包鋼管均為Q355鋼，屈服強度取345 MPa。鋼材應力-應變關系模型采用理想彈塑性模型，鋼材彈性模量取206 000 MPa，泊松比為0.3。

式中：σs——鋼材應力（MPa）；Es——鋼材彈性模量（MPa）；fy——鋼材屈服強度（MPa）；εy——鋼材屈服應變。

型鋼混凝土柱與鋼管混凝土柱中的混凝土強度等級均為C50，采用強度設計值。其中，抗壓強度23.1 MPa，抗拉強度1.9 MPa，彈性模量34 500 MPa。混凝土模型均采用ABAQUS中內置的塑性損傷模型。型鋼混凝土柱的混凝土本構采用《混凝土結構設計規范》[9]中提出的素混凝土本構。

式中：σc——混凝土應力（MPa）；εc——混凝土應變；Ec——混凝土彈性模量（MPa）；fcr——混凝土單軸抗壓強度（MPa）；εcr——混凝土單軸抗壓強度對應的峰值應變；dc——混凝土單軸受壓損傷演化參數；ρc——混凝土配筋率；αc——混凝土的工作承擔系數。

鋼管混凝土柱的核心混凝土應力-應變關系采用韓林海等[10]提出的方法，考慮約束效應影響的約束混凝土本構；混凝土受拉采用線性應力-應變關系本構。

式中：fc'——混凝土抗拉強度（MPa）；εtr——混凝土受拉峰值應變；εtu——混凝土受拉極限應變；β0——應力水平指標；ε0——混凝土峰值應變；η——偏心距增大系數；ξ——約束效應系數。

1.3 模型單元選取及網格劃分

有限元模型中，型鋼梁、型鋼混凝土柱結構及鋼管混凝土柱中核心混凝土均采用8節點減縮積分格式的實體單元（C3D8R）；鋼管混凝土柱外包鋼管采用4節點線性減縮積分殼單元（S4R）。為協調計算效率與計算精度，網格劃分時進行敏感度分析，保證較高的計算效率，網格密度對計算結果的影響小于0.1%。

型鋼梁組合柱實體有限元模型如圖4所示。

圖4 型鋼梁組合柱實體有限元模型

2 鋼管混凝土柱與型鋼混凝土柱節點區受力性能對比分析

2.1 型鋼混凝土柱-型鋼梁節點受力性能

型鋼混凝土柱-型鋼梁節點應力云圖如圖5所示。

圖5 型鋼混凝土柱-型鋼梁節點應力云圖

由圖5可知，在哈爾濱軌道交通3號線車輛基地工程特定荷載作用下，梁端剪力對節點區柱構件受力影響較小，型鋼混凝土柱中混凝土與內部型鋼應力均較小，核心混凝土應力最大值為11.7 MPa，出現在型鋼梁受壓側與型鋼混凝土柱交界處。鋼材最大應力出現在型鋼梁與型鋼混凝土柱交界面的受壓側，最大應力為166.7 MPa，與梁端受拉側連線形成較為明顯的剪力帶。

2.2 鋼管混凝土柱-型鋼梁節點受力性能

鋼管混凝土柱-型鋼梁節點應力云圖如圖6所示。

圖6 鋼管混凝土柱-型鋼梁節點應力云圖

由圖6可知，在哈爾濱軌道交通3號線車輛基地工程特定荷載作用下，梁端剪力對節點區鋼管混凝土柱受力影響較小，柱中混凝土與外包鋼管應力較小，核心混凝土應力最大為7.1 MPa，出現在型鋼梁受壓側與鋼管混凝土柱交界處。鋼材最大應力出現在型鋼梁與鋼管混凝土柱交界面的受壓側，最大應力為150.8 MPa。

2.3 對比分析

在哈爾濱軌道交通3號線車輛基地工程特定荷載作用下，兩節點區應力分布相似，混凝土及全模型最大應力均出現在型鋼梁與組合柱交界面的受壓側。在相同用鋼量下，鋼管混凝土柱-型鋼梁節點區混凝土最大應力比型鋼混凝土柱-型鋼梁節點降低39.3%，鋼材最大應力降低9.5%，表面在相同用鋼量下，鋼管混凝土柱-型鋼梁節點受力性能顯著優于型鋼混凝土柱-型鋼梁節點。

3 結語

型鋼混凝土柱-型鋼梁節點中，最大應力出現在型鋼梁與型鋼混凝土柱交界面的受壓側，最大應力為166.7 MPa；混凝土與柱內部型鋼應力較小，核心混凝土應力最大值為11.7 MPa。鋼管混凝土柱-型鋼梁節點中，最大應力出現在型鋼梁與鋼管混凝土柱交界面的受壓側，最大應力為150.8 MPa；混凝土與外包鋼管應力均較小，核心混凝土應力最大值為7.1 MPa。兩節點區應力分布相似，混凝土及鋼材最大應力均出現在型鋼梁與組合柱交界面的受壓側。在相同用鋼量下，鋼管混凝土柱-型鋼梁節點受力性能優于型鋼混凝土柱-型鋼梁節點，鋼管混凝土柱-型鋼梁節點區混凝土最大應力比型鋼混凝土柱-型鋼梁節點降低39.3%，鋼材最大應力降低9.5%。