鋼管混凝土翼緣削弱外加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)受力性能研究＊

李成玉 李 睿 郭耀杰

（武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院1） 武漢 430070） （武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院2） 武漢 430072）

目前，翼緣削弱設(shè)計還只應(yīng)用于鋼框架結(jié)構(gòu)中，在鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中尚較少有相關(guān)的應(yīng)用和研究［1］.筆者的相關(guān)研究表明，在靜力加載時，加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)的破壞多發(fā)生在翼緣與環(huán)板接合部位，以及柱壁與環(huán)板的連接焊縫處；在反復(fù)荷載作用下，節(jié)點(diǎn)域處的鋼管發(fā)生鼓脹，試驗(yàn)時節(jié)點(diǎn)破壞多是發(fā)生在環(huán)與柱管的連接焊縫上.這些區(qū)域發(fā)生破壞都將直接導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)域毀滅性的撕裂，以致節(jié)點(diǎn)域喪失工作能力，無法修補(bǔ)，其破壞后果甚至比鋼框架節(jié)點(diǎn)的破壞后果還要嚴(yán)重.究其原因，主要是通過普通外加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)連接的鋼管混凝土－鋼梁框架，其塑性鉸不可能先發(fā)生在梁上，相反，結(jié)構(gòu)的塑性域首先出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)域［2］.這是與“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、弱構(gòu)件”的設(shè)計原則相悖的.因此，本文嘗試對加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)進(jìn)行翼緣削弱設(shè)計，并分析其受力性能，為工程應(yīng)用提供參考.圖1是圓弧型加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)的翼緣削弱節(jié)點(diǎn)設(shè)計示意圖［3］.

圖1 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)翼緣削弱設(shè)計

圖2 翼緣削弱鋼管混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)有限元模型

1 翼緣削弱加強(qiáng)環(huán)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布

圖2為翼緣削弱加強(qiáng)環(huán)節(jié)點(diǎn)的有限元模型.不考慮焊縫開孔.對此模型進(jìn)行有限元分析，得到節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布云圖，見圖3.

從應(yīng)力云圖可以看到，在環(huán)板的危險截面區(qū)域以及翼緣削弱部位都出現(xiàn)了高應(yīng)力區(qū).在梁受拉翼緣的中心線上沿梁長度方向設(shè)置一條路徑，讀取路徑上的等效應(yīng)力，見圖4.結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)過翼緣削弱處理的梁面上，出現(xiàn)了塑性區(qū)，也即是說在梁的削弱部位有塑性鉸出現(xiàn).對比梁翼緣邊線與中心線路徑上的應(yīng)力值，可見，在梁的削弱部位和環(huán)板危險斷面都出現(xiàn)了塑性.圖5為采用不同梁長的節(jié)點(diǎn)模型在2條路徑上所對應(yīng)的應(yīng)力值，LA為長梁節(jié)點(diǎn)模型的中心路徑，SW 為短梁節(jié)點(diǎn)模型的邊緣路徑，依此類推.圖中顯示，長梁節(jié)點(diǎn)在梁削弱區(qū)的應(yīng)力值要高于短梁節(jié)點(diǎn)對應(yīng)區(qū)域的應(yīng)力值，但在環(huán)板上的應(yīng)力值卻沒有改變，顯然，通過改變梁的長度，可以使梁上的塑性提前出現(xiàn).但在實(shí)際工程中隨意改變梁長是不現(xiàn)實(shí)的.當(dāng)然，根據(jù)上述的研究結(jié)果，通過改變環(huán)板寬度可以改變環(huán)板應(yīng)力分布，那么適當(dāng)設(shè)置環(huán)板寬度，可以實(shí)現(xiàn)梁翼緣削弱部位先出現(xiàn)塑性（見圖3）.

對比翼緣削弱節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)環(huán)板危險斷面上的應(yīng)力，可以看出，翼緣削弱節(jié)點(diǎn)在環(huán)板危險斷面上的應(yīng)力值要小于普通節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力值，見圖6.對比環(huán)板轉(zhuǎn)角部位的塑性變形，也可以看出翼緣削弱節(jié)點(diǎn)在該處的塑性發(fā)展要小于普通節(jié)點(diǎn)，見圖7.這表明通過翼緣削弱處理的節(jié)點(diǎn)，改善了環(huán)板的應(yīng)力分布.對比翼緣削弱節(jié)點(diǎn)環(huán)板和普通節(jié)點(diǎn)環(huán)板的應(yīng)力分布，見圖8.可以看出，翼緣削弱由于梁翼緣的削弱，使得應(yīng)力流提前發(fā)生了轉(zhuǎn)折，當(dāng)應(yīng)力流進(jìn)入環(huán)板以后，不再象普通節(jié)點(diǎn)那樣，在轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)高度轉(zhuǎn)折和密集的應(yīng)力流，亦即通過翼緣削弱處理的節(jié)點(diǎn)，的確改善了環(huán)板的應(yīng)力分布.

圖3 翼緣削弱節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖

圖4 梁翼緣沿梁長應(yīng)力分布

圖5 不同梁長節(jié)點(diǎn)相關(guān)路徑應(yīng)力分布

圖6 節(jié)點(diǎn)危險斷面應(yīng)力對比

圖7 環(huán)板轉(zhuǎn)角處塑性變形對比

2 翼緣削弱加強(qiáng)環(huán)節(jié)點(diǎn)抗彎剛度

筆者曾采用單因素法分析節(jié)點(diǎn)剛度時設(shè)計了大量的節(jié)點(diǎn)模型，對其中的考慮環(huán)板寬度以及考慮柱徑變化的兩組節(jié)點(diǎn)進(jìn)行翼緣削弱改造，得到的節(jié)點(diǎn)相對剛度要比普通節(jié)點(diǎn)相對剛度高.

圖10給出了兩類節(jié)點(diǎn)單調(diào)荷載作用下的梁端荷載－位移關(guān)系（P－Δ）曲線，環(huán)板寬度分別為80，100mm.在加載初期，兩類節(jié)點(diǎn)的P－Δ曲線是重合的，表明在彈性階段，翼緣削弱對節(jié)點(diǎn)整體剛性沒有影響；加載繼續(xù)，P－Δ曲線進(jìn)入非線性狀態(tài)，翼緣削弱節(jié)點(diǎn)其后的曲線幾乎是水平的，而普通節(jié)點(diǎn)的曲線在翼緣削弱節(jié)點(diǎn)的曲線之上，且呈緩慢上升之勢.顯然，由于翼緣部位的削弱，降低了節(jié)點(diǎn)的極限承載力，但這正是翼緣削弱設(shè)計的目的.也就是說，通過預(yù)先在梁的某個部位，預(yù)先設(shè)置一個薄弱區(qū)域，在受力時，讓這個區(qū)域首先進(jìn)入屈服狀態(tài)，以致加載不能繼續(xù)，從而達(dá)到保護(hù)節(jié)點(diǎn)域的目的.那么，以上P－Δ曲線表明，翼緣削弱節(jié)點(diǎn)設(shè)計的目的基本達(dá)到了.

圖8 環(huán)板應(yīng)力流對比分析

圖9 同心圓弧形翼緣削弱節(jié)點(diǎn)相對剛度

圖10 單調(diào)荷載作用下的梁端荷載－位移關(guān)系（P－Δ）曲線

3 翼緣削弱加強(qiáng)環(huán)節(jié)點(diǎn)的抗震性能

設(shè)計了兩個翼緣削弱節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行反復(fù)荷載作用下的抗震性能模擬.節(jié)點(diǎn)參數(shù)見表1.得到的滯回曲線如圖11～12所示.節(jié)點(diǎn)的耗能系數(shù)分別為2.4和2.56，比對應(yīng)的普通節(jié)點(diǎn)的耗能系數(shù)都要大.

表1 反復(fù)荷載數(shù)值模擬節(jié)點(diǎn)模型參數(shù)表

翼緣削弱節(jié)點(diǎn)的梁端荷載－位移滯回曲線飽滿，幾次循環(huán)之間重合得非常好，看不出剛度退化跡象.從柱壁滯回曲線來看，翼緣削弱節(jié)點(diǎn)在反復(fù)荷載作用下，柱管變形量很小.環(huán)板寬度為80 mm的節(jié)點(diǎn)，柱壁最大變形為2.5mm；環(huán)板寬度為120mm的節(jié)點(diǎn)，柱壁最大變形僅為1.2mm.

再看120mm環(huán)寬翼緣削弱節(jié)點(diǎn)的塑性擴(kuò)展過程，見圖13.在第2荷載步（即梁端加載第1荷載步，總荷載步第1步為柱頂加載），環(huán)板轉(zhuǎn)角有塑性出現(xiàn)，對于同心圓弧型節(jié)點(diǎn)，這是不可避免的.循環(huán)加載至第4荷載步，在梁面削弱部位中部也出現(xiàn)了塑性，至第12步，梁面塑性累積程度比環(huán)板轉(zhuǎn)角處大.實(shí)際上，在整個加載過程中，環(huán)板上的塑性僅在轉(zhuǎn)角部位存在，在環(huán)板上并沒有出現(xiàn)貫穿的塑性帶.顯然，經(jīng)翼緣削弱改造的節(jié)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)在梁上出現(xiàn)塑性鉸.

圖11 翼緣削弱節(jié)點(diǎn)梁端荷載－位移滯回曲線

圖12 翼緣削弱節(jié)點(diǎn)梁端荷載－柱壁位移滯回曲線

圖13 翼緣削弱節(jié)點(diǎn)塑性擴(kuò)展分析

綜上分析，經(jīng)翼緣削弱改造的節(jié)點(diǎn)，通過改變環(huán)板寬度或者調(diào)整梁的長度，可以實(shí)現(xiàn)在梁上出現(xiàn)塑性鉸，而環(huán)板上塑性發(fā)展較小.在反復(fù)荷載作用下，節(jié)點(diǎn)的滯回曲線飽滿，沒有剛度退化現(xiàn)象出現(xiàn).在循環(huán)過程中，柱壁變形很小，對柱管的受力不會產(chǎn)生影響.

另外需要說明的是，普遍認(rèn)為，翼緣削弱節(jié)點(diǎn)既然是在梁上進(jìn)行翼緣的切削，那么，對梁或者節(jié)點(diǎn)的受力應(yīng)該就是一種“削弱”行為.其實(shí)這種擔(dān)心沒有必要.首先，在梁上進(jìn)行切削的部位，其承受的彎矩肯定比梁根部小［4－5］，即便是不進(jìn)行切削，該處的承載能力也是發(fā)揮不出來的；其次，在梁上進(jìn)行切削以后，改變了應(yīng)力流的走向，使得環(huán)板上的應(yīng)力分布得到改善.這種切削方法早就在消減應(yīng)力集中方面得到應(yīng)用；第三，翼緣削弱節(jié)點(diǎn)并沒有使節(jié)點(diǎn)剛性有所降低；最后，翼緣削弱有意讓塑性鉸轉(zhuǎn)移到翼緣削弱部位，達(dá)到了避免塑性在節(jié)點(diǎn)域擴(kuò)展的目的.將翼緣削弱梁斷面塑性最集中的區(qū)域與普通節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角部位的累積塑性應(yīng)變進(jìn)行比較，見圖14.可以發(fā)現(xiàn)，在梁翼緣削弱部位的塑性損傷累積程度并不比普通節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角處的塑性損傷累積程度高.相反，經(jīng)翼緣削弱改造的節(jié)點(diǎn)，不僅環(huán)板轉(zhuǎn)角處的塑性累積程度較低，就是在翼緣削弱部位，其塑性累積程度也要比普通節(jié)點(diǎn)環(huán)板轉(zhuǎn)角部位的低很多.也就是說，在翼緣削弱節(jié)點(diǎn)翼緣削弱部位出現(xiàn)塑性斷裂的概率要比在普通節(jié)點(diǎn)環(huán)板轉(zhuǎn)角部位出現(xiàn)塑性斷裂的概率小.反映在節(jié)點(diǎn)破壞特征上，在相同荷載條件下，普通節(jié)點(diǎn)破壞會早于翼緣削弱節(jié)點(diǎn)的破壞.

圖14 關(guān)鍵部位累計等效應(yīng)變

4 結(jié)束語

采用翼緣削弱的方法對鋼管混凝土加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，并對這種節(jié)點(diǎn)進(jìn)行受力性能的有限元模擬.模擬結(jié)果表明，能有效地改善加強(qiáng)環(huán)節(jié)點(diǎn)的受力性能.首先是明顯改善了節(jié)點(diǎn)域的應(yīng)力分布情況，降低了節(jié)點(diǎn)域的應(yīng)力峰值；其次這種改造并沒有降低節(jié)點(diǎn)的剛度，相反卻能提高節(jié)點(diǎn)的相對剛度；最后節(jié)點(diǎn)在反復(fù)荷載作用下，節(jié)點(diǎn)域的柱壁變形明顯減小，并成功地將塑形鉸外移到了梁端.由此可見，在鋼管混凝土外加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)中使用翼緣削弱是一種行之有效的改善節(jié)點(diǎn)性能的方法.

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