無(wú)內(nèi)加勁肋扁鋼管柱-H型鋼梁?jiǎn)芜吢菟ㄟB接節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)形式優(yōu)選研究*

張國(guó)松，李澤深，韓軍強(qiáng)

(1.浙江省二建鋼結(jié)構(gòu)有限公司，浙江 寧波 315200； 2.浙江省建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

在住宅結(jié)構(gòu)中使用鋼管柱時(shí)，為了避免柱子在平面外方向尺寸過(guò)大而導(dǎo)致凸梁凸柱的弊端，通常采用與建筑墻體等厚的扁鋼管混凝土柱。吳丹[1]提出了一種對(duì)拉螺栓式的扁柱鋼梁連接形式，通過(guò)采用穿芯高強(qiáng)螺栓將梁和柱連接起來(lái)，這種構(gòu)造方式簡(jiǎn)單方便，能夠滿足強(qiáng)柱弱梁的設(shè)計(jì)要求。付波等[2]提出一種外頂板式節(jié)點(diǎn)，通過(guò)4塊楔形鋼板將扁柱和H型鋼梁焊接到一起。托婭[3]提出了扁鋼管混凝土柱π形件節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)可使結(jié)構(gòu)塑性鉸遠(yuǎn)離節(jié)點(diǎn)核心區(qū)，使構(gòu)件破壞先于節(jié)點(diǎn)破壞。近年來(lái)，隨著國(guó)產(chǎn)單邊螺栓的量產(chǎn)，給封閉截面構(gòu)件提供了新的連接方式。單邊螺栓具有單側(cè)擰緊、施工便捷、連接可靠的特點(diǎn)，可以解決常規(guī)螺栓在封閉截面連接時(shí)結(jié)構(gòu)內(nèi)部無(wú)操作空間的問(wèn)題。單邊螺栓連接矩形鋼管柱-H型鋼梁節(jié)點(diǎn)的可靠性得到了諸多研究的證實(shí)[4-6]。

在住宅結(jié)構(gòu)中采用扁鋼管混凝土柱時(shí)，由于短邊尺寸較小，內(nèi)設(shè)普通加勁肋或開(kāi)孔加勁肋都存在混凝土灌注施工困難或難以灌注密實(shí)的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出采用外環(huán)板式構(gòu)造或類(lèi)似外環(huán)板的其他加強(qiáng)形式來(lái)避免鋼管內(nèi)部設(shè)置加勁肋[7-8]，但外環(huán)板占用外部面積較大，在住宅結(jié)構(gòu)中使用時(shí)不利于戶型的布置。利用單邊螺栓連接的扁柱節(jié)點(diǎn)無(wú)需在鋼管柱內(nèi)施工，內(nèi)部不設(shè)加勁肋的鋼管柱與鋼梁采用單邊螺栓連接時(shí)，內(nèi)部無(wú)需焊接和螺栓擰緊施工，可直接使用型鋼鋼管制作，施工便捷，可較大程度降低制作成本。但無(wú)內(nèi)加勁肋的扁鋼管柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)易出現(xiàn)柱子變形過(guò)大、節(jié)點(diǎn)受力性能不佳的問(wèn)題。為此，本文擬探討不同加強(qiáng)形式的無(wú)內(nèi)加勁肋扁鋼管柱-H型鋼梁?jiǎn)芜吢菟ㄟB接節(jié)點(diǎn)的受力性能和破壞模式。通過(guò)對(duì)5種加強(qiáng)的無(wú)內(nèi)加勁肋扁鋼管柱-H型鋼梁節(jié)點(diǎn)的承載能力、變形性能、節(jié)點(diǎn)剛度、應(yīng)用方便程度等進(jìn)行分析，優(yōu)選加強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，為不設(shè)內(nèi)加勁肋的扁鋼管柱-H型鋼梁節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)應(yīng)用提供參考。

1 試樣設(shè)計(jì)

為了研究不同加強(qiáng)形式對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力及變形性能的影響，設(shè)計(jì)5種不同構(gòu)造形式的加強(qiáng)型無(wú)內(nèi)加勁肋扁鋼管柱-H型鋼梁節(jié)點(diǎn)，包括：增大端板加勁肋尺寸(見(jiàn)圖1b)、與端板連接位置梁端設(shè)置蓋板加強(qiáng)(見(jiàn)圖1c)、柱內(nèi)壁在端板范圍內(nèi)加厚(見(jiàn)圖1d)、柱外壁在端板上下100mm范圍內(nèi)加厚(見(jiàn)圖1e)和在梁端下部加腋(見(jiàn)圖1f)。不同加強(qiáng)形式節(jié)點(diǎn)構(gòu)造如表1所示。各節(jié)點(diǎn)梁、柱截面尺寸相同，分別為H300×150×6.5×9和≤400×200×14。梁柱線剛度比為0.16，滿足強(qiáng)柱弱梁要求?？紤]節(jié)點(diǎn)對(duì)柱的影響范圍不超過(guò)2倍端板高度，柱高設(shè)計(jì)為2m，假設(shè)框架梁的反彎點(diǎn)位置位于框架梁跨度的1/4處，按梁跨度7m計(jì)算，取梁長(zhǎng)1.55m。各節(jié)點(diǎn)端板尺寸、螺栓規(guī)格、螺栓孔距相同，根據(jù)規(guī)范[9-10]的要求，端板厚度取18mm，端板與梁連接區(qū)域設(shè)置加勁肋，加勁肋厚度取10mm。除螺栓外，其余材料均為Q345鋼。

圖1 各節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

表1 不同加強(qiáng)形式節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

2 不同加強(qiáng)形式節(jié)點(diǎn)受力性能有限元模擬分析

2.1 模型參數(shù)選取

利用通用有限元軟件ABAQUS建立單邊螺栓連接扁柱-H型鋼梁節(jié)點(diǎn)模型。考慮到扁柱上、下端位于反彎點(diǎn)位置，該處彎矩為0且可以在平面內(nèi)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。在柱子上、下端約束除平面內(nèi)轉(zhuǎn)角URy以外所有方向的變形(節(jié)點(diǎn)所在坐標(biāo)系如圖2所示)。柱頂端設(shè)置軸壓力，軸壓比取0.2，放松柱頂在z方向的位移，以考慮由于柱子軸壓導(dǎo)致的柱頂變形。在梁端施加豎直向下的位移以模擬實(shí)際節(jié)點(diǎn)受到的豎向作用，并約束梁端不發(fā)生平面外的變形。節(jié)點(diǎn)邊界條件和加載情況如圖2所示。

圖2 各節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)

模型采用8節(jié)點(diǎn)線性減縮積分實(shí)體單元C3D8R，整體網(wǎng)格尺寸為5cm，在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)域如端板位置、螺栓、柱子中部、梁端與端板連接區(qū)域等對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化?？紤]到梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)域存在大量的接觸關(guān)系，在端板與柱壁、端板與螺栓套筒、端板與螺栓桿、螺栓桿與螺栓套筒、螺栓桿與柱壁、螺栓套筒與柱壁位置定義面面接觸，其中法向行為采用硬接觸，允許接觸后分離，切向行為采用罰接觸，摩擦系數(shù)取0.4。Q345鋼和10.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系采用三段線性關(guān)系。為不失一般性，屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度和彈性模量均采用理論值，如表2所示，泊松比取0.3。

表2 鋼材參數(shù)

2.2 模型可靠性驗(yàn)證

為了獲取單邊螺栓連接扁柱-H型鋼梁節(jié)點(diǎn)的受力性能，對(duì)2種柱壁加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)S3，S4進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。測(cè)試得到的S4節(jié)點(diǎn)變形與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比如圖3所示，2種節(jié)點(diǎn)的荷載-位移曲線對(duì)比如圖4所示。從圖4可以看出，本文建立的數(shù)值模型可以很好地模擬節(jié)點(diǎn)的變形情況和破壞趨勢(shì)。數(shù)值模擬得到的荷載-位移曲線在彈性階段幾乎與試驗(yàn)數(shù)據(jù)完全相同。當(dāng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入塑性階段后，數(shù)值模擬得到的承載力略小于試驗(yàn)結(jié)果，這是由于數(shù)值計(jì)算所采用的材料本構(gòu)模型為線彈性本構(gòu)，在塑性階段對(duì)材料性能的描述與實(shí)際材性之間有誤差。2種節(jié)點(diǎn)的極限承載力誤差在6%以內(nèi)，證明了本文所建立的有限元數(shù)值模擬具有較好的可靠性。

圖3 S4節(jié)點(diǎn)破壞形態(tài)對(duì)比

圖4 S3，S4節(jié)點(diǎn)模擬與試驗(yàn)荷載-位移曲線對(duì)比

2.3 節(jié)點(diǎn)受力性能分析

2.3.1破壞模式

6個(gè)節(jié)點(diǎn)的主要破壞形態(tài)如圖5所示。從圖5可以看出，無(wú)任何加強(qiáng)的S0節(jié)點(diǎn)中柱壁和端板在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)拉力作用下發(fā)生明顯的鼓曲變形，上側(cè)螺栓受到較大的拉力，梁端沒(méi)有明顯的屈曲現(xiàn)象(見(jiàn)圖5a)。S1節(jié)點(diǎn)為加勁肋加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)，與S0節(jié)點(diǎn)相比，增加了加勁肋與梁連接部分的長(zhǎng)度，導(dǎo)致梁在加勁肋伸長(zhǎng)區(qū)域發(fā)生的轉(zhuǎn)動(dòng)變形較小，但在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)仍出現(xiàn)了明顯的柱子鼓曲現(xiàn)象。S2和S5節(jié)點(diǎn)為梁加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)，與S0節(jié)點(diǎn)相比，S2和S5節(jié)點(diǎn)梁上應(yīng)力變小，柱壁有較明顯的鼓曲現(xiàn)象，變形量比S0稍小(見(jiàn)圖5c，5f)。S3和S4節(jié)點(diǎn)為柱加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)域柱子的變形相對(duì)較小，梁端在加勁肋外側(cè)有明顯的屈曲現(xiàn)象，表明節(jié)點(diǎn)塑性鉸出現(xiàn)在梁端，符合強(qiáng)柱弱梁的抗震設(shè)計(jì)要求(見(jiàn)圖5d，5e)。

圖5 各節(jié)點(diǎn)破壞模式

2.3.2承載力和延性分析

6個(gè)節(jié)點(diǎn)的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線如圖6所示。從圖6可以看出，不同加強(qiáng)形式對(duì)節(jié)點(diǎn)的受力性能影響差異較大。其中，S3和S4節(jié)點(diǎn)的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線呈雙線性特征，有較明顯的屈服點(diǎn)，在屈服點(diǎn)前節(jié)點(diǎn)基本處于彈性變形，屈服點(diǎn)后節(jié)點(diǎn)的承載力提升較小。節(jié)點(diǎn)的初始剛度比S0有明顯的提高。其余節(jié)點(diǎn)的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線均為平滑的曲線，沒(méi)有明顯的屈服點(diǎn)，加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)S1，S2和S5的承載力比S0有所提高，但提高幅度不大。3種加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的初始剛度與S0相比沒(méi)有明顯的提高。

圖6 各節(jié)點(diǎn)彎矩-轉(zhuǎn)角曲線

表3給出了6個(gè)節(jié)點(diǎn)的初始剛度、屈服轉(zhuǎn)角和極限彎矩值。從表3可以看出，各節(jié)點(diǎn)初始剛度差異較大，柱壁外側(cè)貼板的S4試樣初始剛度最大，其次是柱內(nèi)壁加強(qiáng)的S3試樣。與S0節(jié)點(diǎn)相比，分別提高了2.9倍和1.9倍。這表明對(duì)柱壁進(jìn)行加強(qiáng)可以顯著改善無(wú)內(nèi)加勁肋扁柱節(jié)點(diǎn)的受力性能。各節(jié)點(diǎn)的屈服轉(zhuǎn)角均較小，表明節(jié)點(diǎn)具有較強(qiáng)的非線性特征。5個(gè)加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)的極限彎矩均比S0大，表明節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)可以一定程度上改善節(jié)點(diǎn)的承載力。增大加勁肋尺寸的S1試樣極限承載力最大，與S0相比，各加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的承載力提升幅度不大，這是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)考慮到強(qiáng)柱弱梁的要求，梁剛度設(shè)計(jì)較弱，所有節(jié)點(diǎn)均在梁發(fā)生屈曲時(shí)達(dá)到極限承載力。

表3 各節(jié)點(diǎn)力學(xué)指標(biāo)

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)5種不同加強(qiáng)形式的無(wú)內(nèi)加勁肋扁鋼管柱-H型鋼梁?jiǎn)芜吢菟ㄟB接節(jié)點(diǎn)的受力性能和破壞模式進(jìn)行有限元模擬分析，獲得各節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)、極限彎矩、屈服轉(zhuǎn)角、節(jié)點(diǎn)剛度特征，并與無(wú)加強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)性能進(jìn)行對(duì)比，得到結(jié)論如下：梁端加強(qiáng)對(duì)節(jié)點(diǎn)受力性能的提升幫助較小。增強(qiáng)端板加勁肋可以提高節(jié)點(diǎn)的承載力，但提升幅度不大。梁端加強(qiáng)和加勁肋加強(qiáng)形式節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)與無(wú)加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)類(lèi)似。柱壁加強(qiáng)形式對(duì)節(jié)點(diǎn)剛度、承載力及破壞模式的影響最大，加強(qiáng)后的節(jié)點(diǎn)破壞時(shí)柱壁沒(méi)有明顯的鼓曲現(xiàn)象，節(jié)點(diǎn)的初始剛度與無(wú)加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)相比提高了2～3倍，是不便設(shè)置柱內(nèi)加勁肋時(shí)較理想的扁柱-H型鋼梁柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式。在柱壁外側(cè)貼板或柱壁內(nèi)側(cè)貼板對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力和剛度的提升差別不大，可根據(jù)實(shí)際需要選擇加強(qiáng)形式。在對(duì)房屋空間有嚴(yán)格限制要求時(shí)進(jìn)行柱內(nèi)加強(qiáng)，在對(duì)結(jié)構(gòu)施工效率或裝配率有較高要求時(shí)選擇柱壁外側(cè)貼板加強(qiáng)。本文可為不設(shè)內(nèi)加勁肋的扁鋼管柱-H型鋼梁節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)應(yīng)用提供參考。