新型鋼管混凝土節(jié)點剛性的規(guī)律研究

苗 青

(安徽清石建筑設(shè)計研究院有限責(zé)任公司,安徽 合肥 230041)

1 概述

鋼管混凝土是將混凝土填入薄壁圓形鋼管內(nèi)而形成的組合結(jié)構(gòu)，鋼管內(nèi)的混凝土具有三向受壓混凝土的特點，在混凝土承受軸向壓力下，同時還有側(cè)壓力，混凝土裂縫的發(fā)展受到鋼管的限制。鋼管壁借助內(nèi)填混凝土的支撐作用，增強鋼管壁的幾何穩(wěn)定性，改變空鋼管的失穩(wěn)模態(tài)，從而提高其承載能力。兩種材料取長補短，充分發(fā)揮了混凝土抗壓性能和鋼材的抗拉性能，達到優(yōu)化組合的作用效果。

由于鋼管混凝土的結(jié)構(gòu)優(yōu)點，在工程中得到了廣泛的應(yīng)用，鋼管混凝土的節(jié)點的形式也呈現(xiàn)多元化，但在研究和應(yīng)用中還存在一系列的問題，歸結(jié)為以下幾點：

1)節(jié)點不宜進行標(biāo)準(zhǔn)化、裝配化。在現(xiàn)場施工中為了確保節(jié)點的剛性，在現(xiàn)場需要進行大量的焊接工作，對工人的技術(shù)水平要求較高，且節(jié)點的力學(xué)性能不能得到有效的保證。2)節(jié)點研究缺乏系統(tǒng)性和連貫性，節(jié)點的設(shè)計還缺乏一整套系統(tǒng)的理論研究做支撐。目前鋼管混凝土節(jié)點的研究已經(jīng)取得了不少的成果，但研究的節(jié)點形式主要是針對某一具體工程而言的，缺乏通用性，不利于其應(yīng)用推廣。國內(nèi)如汕頭大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等對鋼管混凝土的研究較多，進行了大量的實驗，但研究對象普遍集中在常用的加強環(huán)梁節(jié)點，對其他節(jié)點形式研究較少。3)對整體鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的動力學(xué)性能研究較少。從現(xiàn)有的研究資料來看，節(jié)點的靜力性能研究得較多，動力試驗研究較少；節(jié)點研究多，整體結(jié)構(gòu)研究少。主要是因為動力實驗對設(shè)備要求較高，且實驗的過程比較復(fù)雜；相對于單個的節(jié)點，結(jié)構(gòu)整體實驗研究比較困難，受到場地和設(shè)備的影響。

2 新型鋼管混凝土節(jié)點樣式介紹

文獻[1]提出了一種新型的鋼管混凝土節(jié)點形式，型鋼直接穿過鋼管壁，連接處在工廠焊接完成，如圖1所示。

該節(jié)點采用型鋼穿過鋼管，在節(jié)點核心區(qū)域形成穿心牛腿式節(jié)點，穿心牛腿能有效地將力傳遞到核心混凝土。在鋼筋混凝土梁的端頭預(yù)先埋置與穿心構(gòu)件相同尺寸的型鋼，型鋼的部分伸出梁外，梁的縱筋焊接在預(yù)埋型鋼的翼緣上，由此可以完成混凝土梁的工廠預(yù)制，實現(xiàn)了節(jié)點制作的標(biāo)準(zhǔn)化和裝配化。

但是這種節(jié)點在實際應(yīng)用中同樣存在缺點。對于此新型節(jié)點，由于穿心型鋼會占用鋼管內(nèi)空間，給鋼管內(nèi)混凝土的澆筑造成了困難。在節(jié)點的制作過程中，在框架的中節(jié)點，梁柱交匯的地方，由于鋼管直徑限制，給焊接工作帶來了一定的困難，有鑒于此，對該種節(jié)點進行形式的改進，切掉鋼管內(nèi)型鋼的翼緣，如圖2所示。切除了鋼管內(nèi)型鋼的翼緣后，在進行節(jié)點的制作時，在雙梁交接的地方，焊接時，只需焊接腹板處，相對于原有節(jié)點，焊接的難度降低，由于切除了型鋼的翼緣，在進行鋼管內(nèi)混凝土澆筑時，有利于進行混凝土的振搗，性能更好[2-4]。

文獻[5]分別建立原有節(jié)點樣式和改進節(jié)點樣式的有限元模型，并根據(jù)文獻[1]的材料常數(shù)測定數(shù)據(jù)，確定有限元模型的相關(guān)材料特性。分析兩種模型的柱頂承載力，梁端承載力和節(jié)點抗震性能，對比計算分析數(shù)據(jù)可知改進后的節(jié)點相較于原有節(jié)點的柱頂極限荷載變化不大，在達到極限荷載之后下降段平緩，延性較好，兩節(jié)點的滯回曲線都很飽滿，具有良好的耗能能力，改進后的節(jié)點結(jié)構(gòu)性能并沒有明顯的下降，說明節(jié)點改進具有可行性。

3 節(jié)點域參數(shù)對節(jié)點剛性的影響規(guī)律研究

節(jié)點的樣式是各不相同的，因此當(dāng)節(jié)點的尺寸改變時，節(jié)點的剛度如何變化就是一個值得探討的問題。對于這種新型的鋼管混凝土節(jié)點，在不同的結(jié)構(gòu)中與該結(jié)構(gòu)梁柱剛度具有不同的比值，則其在不同的結(jié)構(gòu)中就體現(xiàn)為不同的剛性，在考察節(jié)點的剛性時要同時考慮鋼管混凝土柱的剛度、型鋼的剛度及鋼筋混凝土梁的剛度。由于不同的鋼材其彈性模量相差很小，因而不作考慮;在進行非線性分析時，混凝土材料的真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線要通過實驗獲得，它的對錯與否還無法下定論，因而在下面的分析中也不把它作為考慮的參數(shù)。在下面的分析中主要是從節(jié)點的細(xì)部幾何尺寸方面進行分析，其主要影響因素有：1)鋼管混凝土柱的半徑；2)鋼管壁厚度；3)腹板厚度；4)型鋼高度；5)鋼筋混凝土梁高度；6)鋼筋直徑。下面以第三節(jié)中的節(jié)點的實體模型做基礎(chǔ)，施加梁端單調(diào)荷載，得到節(jié)點的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線，然后通過改變節(jié)點的細(xì)部尺寸做一系列的有限元計算，分析節(jié)點域各參數(shù)對梁柱連接性能的影響。

3.1 節(jié)點域彎矩-轉(zhuǎn)角公式擬合

建立新型鋼管混凝土節(jié)點的三維模型，定義的靈敏度分析中的輸入?yún)?shù)，即上述影響節(jié)點剛性的六個幾何參數(shù)，如表1所示，荷載的初始值為30%左右的極限荷載，輸出參數(shù)取梁柱相對轉(zhuǎn)角。

表1 輸入?yún)?shù) mm

對計算結(jié)果提取梁柱的最大轉(zhuǎn)角得到樣本點的組成散點圖，如圖3所示為腹板厚度與梁柱相對轉(zhuǎn)角的散點圖。

運用最小二乘法原理對圖3所示的數(shù)據(jù)進行擬合，得到一階多項式Y(jié)=C0+C1X;C0,C1分別為常數(shù)項和一階常數(shù)。分別對各變化參數(shù)和梁柱的相對轉(zhuǎn)角圖進行一階多項式擬合，提取一階參數(shù)C1，如表2所示，將表2中第一橫欄中各參數(shù)與轉(zhuǎn)角的相關(guān)系數(shù)值，以荷載和轉(zhuǎn)角的相關(guān)系數(shù)值為標(biāo)準(zhǔn)，即以該系數(shù)定為1，其余按對其比值，計算后如表2中第二欄，將此欄系數(shù)作為各影響參數(shù)的冪次系數(shù)，得到標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)K的表達式(1)。

表2 輸入?yún)?shù)與輸出參數(shù)相關(guān)系數(shù)表

K=TC-0.212 17D-0.003 04TW-0.330 43d-0.279 51H-0.052 941B-0.027 79

(1)

其中，TC為鋼管厚度；D為鋼管柱半徑；TW為型鋼腹板厚度；d為鋼筋直徑；H為型鋼高度；B為鋼筋混凝土梁高度。

然后用數(shù)學(xué)軟件Matlab對得到的M-θ數(shù)據(jù)進行擬合，得到反映節(jié)點M-θ關(guān)系的奇次方的多項式：

θ=C1(KM)1+C2(KM)3+C3(KM)5

(2)

其中，M為梁柱連接處的彎矩值；θ為梁柱之間的相對轉(zhuǎn)角；C1,C2,C3均為曲線擬合常數(shù)，C1=2.215×10-2,C2=0.287 97,C3=-3.088 9。

3.2 結(jié)果對比

以節(jié)點中鋼管壁厚度為例來探討公式的擬合效果，首先由式(1)計算得到各鋼管壁厚度下標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)K值，如表3所示。

表3 標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)計算表

由式(2)計算得到鋼管壁厚度為6 mm時節(jié)點的彎矩-轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)表，如表4所示，根據(jù)表4得到節(jié)點的彎矩-轉(zhuǎn)角圖，見圖4。

表4 節(jié)點轉(zhuǎn)角擬合數(shù)據(jù)比較

從表4，圖4中可以看出當(dāng)節(jié)點鋼管壁厚度為6 mm時，在相同彎矩作用下，模型計算得到的轉(zhuǎn)角和公式計算得到的轉(zhuǎn)角的最大差值百分?jǐn)?shù)為-5.80%，誤差在可接受的范圍之內(nèi)，二者的彎矩-轉(zhuǎn)角圖曲線發(fā)展一致，在彈性階段，兩曲線趨于重合，在塑性階段，由公式計算得到的梁柱相對轉(zhuǎn)角較模型計算得到的轉(zhuǎn)角要小。節(jié)點彎矩-轉(zhuǎn)角對比圖見圖5～圖8。

從圖5～圖8中可以看出，由公式計算得到的彎矩-轉(zhuǎn)角圖和模型計算得到的彎矩-轉(zhuǎn)角圖曲線發(fā)展趨勢基本一致，在彈性階段，二者的基本重合，說明公式對彈性階段的彎矩-轉(zhuǎn)角的變化趨勢擬合較好。在塑性階段，由公式擬合得到的梁柱相對轉(zhuǎn)角要比模型計算得到的梁柱相對轉(zhuǎn)角要大，也就是說按照公式計算得到的節(jié)點剛度要比模型的實際剛度要小，但差值并不大，在鋼管壁厚度為7 mm時，差值百分?jǐn)?shù)最大，數(shù)值為-4.31%，完全在可接受范圍之內(nèi)，說明在彈塑性階段，用擬合得到的公式計算新型鋼管混凝土節(jié)點在彈塑性節(jié)點的彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系，可以得到比較好的結(jié)果[6-9]。

4 結(jié)論

本文分析了節(jié)點域的幾何參數(shù)對節(jié)點剛性的影響規(guī)律，得到的節(jié)點的模型。通過與有限元實體模型計算結(jié)果對比，得到如下結(jié)論：1)彈性階段模型計算的結(jié)果和公式計算得到的結(jié)果符合較好。2)在塑性階段，擬合公式計算得到轉(zhuǎn)角要比模型計算的結(jié)果要小，即公式計算得到的節(jié)點剛度要偏大一點，總體來說擬合公式對節(jié)點剛性模擬效果較好，相關(guān)成果可供工程設(shè)計參考。