鋼骨－鋼管混凝土柱與鋼梁節點力學性能分析

鄒 波，孫鵬舉，徐亞豐

(1．遼寧石油化工大學，遼寧撫順113001;2．沈陽建筑大學土木工程學院，遼寧沈陽110168)

近期，許多專家對鋼管混凝土核心柱深入研究的成果表明:鋼管混凝土組合柱的核心鋼管混凝土與外側鋼筋混凝土不一定能夠協同工作直至破壞。針對這種結構形式的不足，徐亞豐教授提出了“鋼骨－鋼管混凝土柱”并獲得國家專利。在這種新型結構形式中，鋼骨和鋼管分別對混凝土提供約束作用，在合理設計后可使鋼管內外混凝土同時達到極限承載力，從而提高了其承載力和抗震性能［1］。

本文在繼承了這種新型結構形式優點的基礎之上，提出了一種新型的鋼骨－鋼管混凝土柱與鋼梁節點形式，即在鋼管與鋼梁連接部位采用環梁連接，鋼梁的腹板和環板同時與鋼管焊接，鋼管外部澆筑鋼筋混凝土，在混凝土外部用角鋼與綴板加固。這種節點形式具有構造簡單、傳力明確的優點。

綜上所述，筆者在前人總結的本構模型的基礎上，利用大型通用有限元分析軟件ABAQUS對鋼骨－鋼管混凝土柱與鋼梁節點進行靜力性能的有限元分析。

1 非線性有限元分析模型的建立

1.1 節點的簡化計算模型

在框架節點模擬實驗中，一般近似取框架梁、柱反彎點與框架節點間距離作為試件的梁、柱長度，本實驗為節省計算機資源，近似按照實體試件的1/2進行建模。

1.2 模型的設計尺寸

本文采用加強環板式節點［2］，即將工字鋼梁上、下翼緣與環板焊接，環板和梁腹板同時與鋼管外壁焊接。鋼管與角鋼均采用Q345級鋼，鋼管直徑133mm，壁厚5mm;工字鋼采用三塊鋼板焊接，腹板尺寸為－10×270，翼緣尺寸為－15×100;角鋼采用 50×4;綴板尺寸為－4×200，以間距115mm沿縱向均勻布置;鋼筋均采用HPB235，其中縱筋為4φ10，箍筋采用φ8雙肢箍，間距100mm(圖1、圖2)。

圖1 節點幾何模型

圖2 節點有限元模型

1.3 試件的主要參數及力學指標

本實驗主要研究不同軸壓比作用下鋼骨－鋼管混凝土柱的力學性能，具體試件分組如表1、表2所示。

表1 試件主要參數表

表2 鋼材力學指標(MPa)

1.4 材料的本構關系

1.4.1 鋼材的本構模型

在有限元分析中，經過簡化，將鋼材的應力—應變關系分為四段，其表達式為:

當 ε≤εe1時，σ=Esε

當 εe1＜ε≤εe2時，σ=fy

當 εe2＜ε≤εe3時，σ=fy+Es/［150(ε－εe2)］

當 ε≥εe3時，σ=fu

式中:Es為鋼材的彈性模量;fu和fy分別為鋼材的屈服強度和極限強度，fu=1.6 fy;εe1，εe2，εe3為彈性極限應變、屈服應變和強化應變，εe2=10εe1，εe3=100εe1。

1.4.2 鋼筋的本構模型

鋼筋的應力應變關系采用雙直線模型，數學表達式如下:

當 ε≤εs時，σs=Esεs

當 ε＞εs時，σs=fy

1.4.3 鋼管內部混凝土的本構模型

圓鋼管內混凝土本構模型采用韓林海教授研究的本構模型［4］進行計算，鋼管外混凝土的本構關系有多種形式。鋼管混凝土核心柱外圍混凝土的本構關系采用美國E．Hognestad建議的模型;對于只有外包角鋼加固的混凝土本構關系，本文采用的是考慮角鋼框架套箍效應而對混凝土強度進行修正的模型［5］。

1.5 單元類型的選擇

鋼管、鋼梁、角鋼、綴板、核心混凝土和外圍混凝土均采用8節點線性減縮積分格式的三維實體單元(C3D8R)，通過加密網格來降低體積鎖閉影響［4］。鋼筋采用2節點線性減縮積分式三維桁架單元(T3D2)。

1.6 荷載步設置

在第一個分析步中對柱頂端施加軸向力，在第二個分析步中保持柱頂端的軸向力大小不變，對左右梁端分別施加反向的荷載，并用位移控制。

1.7 單元劃分

本文采用的劃分方法是六面體為主的網格劃分，其對計算的精確性較好。在反復的試驗之后，筆者在節點區域內采用較為密實的網格劃分，這樣可以集中計算機資源對重點研究區域進行精確計算。

1.8 不同材料界面的處理

模型中的各部件采用“綁定”的方式接觸，這樣各接觸面上只有力的傳遞，而沒有相對的位移。對于鋼筋則采用“嵌入”的方式置入到混凝土的內部，從而使各個部件共同工作。

2 分析結果

2.1 各構件變形后的應力云圖

根據上述分析，建立了各種構件的模型。以SJ－14節點試件為例進行說明。構件的變形圖、應力云圖如圖3、圖4所示。

圖3 節點應力云圖

圖4 鋼管與鋼梁應力云圖

試件節點區域鋼管與鋼梁都發生了明顯的屈服現象。其中，在鋼梁根部的工字鋼翼緣已經發生平面外的屈曲破壞，可以判斷塑性鉸位置出現在鋼梁的根部。此時梁端已經達到極限承載力，如果繼續加載，鋼梁將失去承載效果，梁端位移將迅速增大。柱的上下兩端鉸接，中間節點部位隨梁發生扭轉，柱整體有向“S”形變形的趨勢。在柱的受壓一側，角鋼和內部的受壓縱筋已經受壓屈服，角鋼與混凝土表面發生剝離，而受拉側的角鋼與受拉縱筋均未屈服。綴板與箍筋均承受拉應力，在角鋼與縱筋均收壓的一側，綴板與箍筋的拉應力最大。鋼管內混凝土受到鋼管的約束處于三向受壓狀態，在節點區域內部已經受壓屈服。鋼管外部混凝土受力狀態與外部角鋼相似，在受壓一側已經屈服破壞，應力最大的部位出現在梁根部。

2.2 軸壓比的影響

通過改變柱頂部的軸向壓力，分別取軸壓比為0.5～0.9進行分析，荷載及位移關系如圖5所示。

圖5 不同軸壓比作用下梁端荷載－位移曲線

由圖5可知，隨著軸壓比的增大，框架節點的豎向剛度有所降低，極限承載力也隨之下降。當軸壓比大于0.8后，節點下部柱在過大的軸力作用下迅速屈服，豎向剛度下降明顯，雖然鋼梁并未達到極限承載力，但是柱頂端的豎向位移過大，而使得結構不能再繼續承擔荷載。因此，建議在設計時鋼管－鋼骨混凝土柱與鋼梁節點軸壓比不宜超過0.8。

3 結束語

通過大型有限元軟件ABAQUS的模擬分析，通過模擬實驗的破壞特征，可以得出如下結論。

(1)試件的承載力和豎向剛度隨著軸壓比的增大而逐漸降低，當軸壓比大于0.8時，試件的豎向剛度和節點區塑性轉動能力下降明顯，梁端位移隨荷載增加而變化的趨勢過快，因此，建議在設計時鋼管－鋼骨混凝土柱與鋼梁節點軸壓比不宜超過0.8。

(2)隨著軸壓比的增加，節點核心區內部結構在軸力作用下的初始應力逐漸增加。當軸壓比小于0.5時，節點核心區結構始終處于彈性變形階段。當軸壓比大于0.8時，節點核心區內部鋼管在軸壓力作用下的應變值已經接近屈服應變，在梁端稍加荷載后，節點核心區立即屈服，進入塑性變形階段。因此，軸壓比越高，鋼骨－鋼管混凝土柱與鋼梁節點塑性承載力越低。

［1］ 徐亞豐，賈連光．鋼骨－鋼管混凝土結構技術［M］．北京:科學出版社，2009

［2］ CECS 188:2005鋼管混凝土疊合柱結構技術規程［S］

［3］ 徐亞豐，宋寶峰，李剛，等．十字形鋼骨混凝土異形柱軸心受壓承載力的試驗研究［J］．沈陽建筑大學學報(自然科學版)，2007，23(6):910－914

［4］ 韓林海，陶忠，王文達．現代組合結構和混合結構—試驗、理論和方法［M］．北京:科學出版社，2009

［5］ 陳先明，彭衛．外包角鋼加固柱受載全過程分析［J］．橋梁建設，1999(3):11－13