鋼管混凝土隔板貫通式節點的性能

李 波，楊慶山，馮少華，陳一歐，衛 東

（1.北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 100044；2.北京市建筑設計研究院，北京 100045）

鋼管混凝土柱的出現，解決了超高層建筑中混凝土柱的“胖柱問題”問題、高強混凝土柱的脆性破壞問題以及鋼柱易出現的局部屈曲問題，因而被廣泛應用于各類超高層建筑之中[1]。然而，由于鋼管中需要澆注混凝土，這使得鋼管混凝土柱與鋼梁的連接節點較普通鋼結構連接節點更為復雜，受力合理而又構造簡單的連接形式一直是關于鋼管混凝土柱研究的重點[2－5]。

隔板貫通式節點（圖1）是一種新型鋼管混凝土柱 鋼梁連接形式，其主要特點是鋼管混凝土柱鋼管在隔板處斷開，并且隔板在鋼管管壁內伸、外挑距離較小。這樣極大簡化了施工，并且不影響建筑功能，近年來得到了廣泛應用。國家標準圖集《鋼管混凝土結構構造》（06SG524）雖給出了隔板貫通式節點的基本形式，但由于缺乏相關系統研究，并未給出節點構造細節。另一方面，通過合理的構造，減小鋼管和隔板連接處的應力集中，使節點破壞先出現在梁上，形成“強節點弱構件”的延性機制一直以來是設計過程中的難點。針對上述情況，一些學者采用試驗和數值的方法對隔板貫通式節點的性能進行了研究[6－8]，旨在驗證該種節點具有較好的性能。

中海廣場是位于北京CBD地區的一棟地標性超高層建筑，結構整體采用框架 核心筒結構體系。其中，外框架采用的是由鋼管混凝土柱與鋼梁組成的框架結構。為了滿足建筑與便于施工的要求，框架部分采用了隔板貫通式節點。將以中海廣場為工程背景，進行鋼管混凝土柱與鋼梁隔板貫通式節點擬靜力試驗，得到該種節點的主要性能指標；并在此基礎上建立數值分析模型，重點考察不同參數對節點性能的影響，提煉該類節點的設計建議。

圖1 隔板貫通式節點

1 試驗研究

1.1 試驗裝置[9－11]

試驗以中海廣場鋼管混凝土柱 鋼梁框架的典型連接節點及其受力狀態為背景，選取了該項工程最為常用的鋼管混凝土柱—單鋼梁連接節點進行研究。受試驗室場地約束，試件按原型1／2比例縮尺。鋼管混凝土柱的鋼管截面為PIPE457×18，混凝土強度為C60，柱高1500mm。鋼梁截面為H275×115×10×20，梁長2000mm。隔板厚度為20mm，內徑291mm（內伸65mm），外徑517mm（外挑30mm）。鋼材材質均為Q345B，試件所有連接焊縫均通過超聲波探傷檢測，未發現超標缺陷。

試驗試件采用垂直柱、水平梁的放置方式，如圖2所示。試驗中，先在鋼管混凝土柱柱頂通過液壓作動器分級施加120t軸力；然后在距梁端300mm處（該處梁上設置有加勁肋），通過 MTS電液伺服作動器分級施加往復荷載，直至試件破壞。按《建筑抗震試驗方法規程》（JGJ 101－96）的要求，鋼梁屈服前，梁端采用荷載控制分級加載，每級載荷30kN，每級循環2周；鋼梁屈服后，按梁端位移控制分級加載，每級載荷為試件屈服時的最大位移，每級循環2周。

圖2 試驗裝置

在鋼梁和隔板布置應變片和應變花如圖3，用以監測試驗過程中關鍵部位的應力變化。

圖3 典型應變片布置

1.2 試驗結果與分析

在加載過程中，首先，在鋼梁翼緣對接焊縫處出現裂縫（圖4（a））；隨后，鋼梁與隔板連接處的梁腹板以及梁翼緣處出現鐵屑脫落，發生局部失穩（圖4（b）），而鋼梁對接焊縫處的裂縫不再擴展；繼續加載，鋼梁處的局部變形緩慢增大；整個試驗過程，試件未發生明顯斷裂。

圖4 試驗試件破壞形式

圖5 試驗試件滯洄曲線

滯洄曲線是結構抗震性能的綜合體現，通過滯洄曲線還可以確定結構的主要性能參數。圖5給出了本次試驗的滯洄曲線，由滯洄曲線可以得到試件的屈服荷載為126.9kN，屈服位移為25.51mm，極限承載力為192kN，極限位移為82.91mm，據此可以得到節點的位移延性系數為3.25。

通過試驗可以看出，鋼管混凝土柱 鋼梁隔板貫通式節點承載能力較強，以至距節點區較遠的鋼梁對接焊縫出現裂縫；鋼梁與隔板連接處鋼梁屈服后，試驗試件主要通過該處塑性變形耗能，鋼梁對接焊縫處裂縫不再擴展。試件滯洄曲線飽滿，該種節點具有良好的耗能性能。綜上所述，中海廣場鋼管混凝土柱 鋼梁隔板貫通式節點的剛度、強度、延性均能滿足設計要求。

2 數值分析模型

建立鋼管混凝土柱 鋼梁隔板貫通式節點的數值分析模型，然后通過與試驗結果對比，驗證數值模型的有效性。

2.1 數值模型的建立[12－14]

數值分析采用ANSYS軟件進行。鋼管中混凝土選用Solid65單元模擬，考慮到鋼管混凝土結構中混凝土材料在實際結構中的受力狀態，采用三向受力狀態下的本構關系。鋼管、鋼梁、加勁肋、隔板采用shell181單元模擬。鋼材采用理想彈塑性模型，彈性模量為2.06×105N／mm2，泊松比為0.3，屈服強度為353.6MPa，滿足Von-Mises屈服準則。為了提高計算效率，對節點核心區的網格進行加密（圖6）。

圖6 數值模型

在鋼管混凝土柱柱底截面施加3個方向平動和3個方向轉動自由度約束；在柱頂截面，除允許其發生豎向位移外，約束其他方向位移和轉角。試件的加載與試驗保持一致，并采用牛頓一拉普森方法進行迭代求解。分析中考慮了初始缺陷、大變形等非線性因素的影響。

2.2 數值模型的有效性

圖7給出了試驗試件與數值模型梁端加載點荷載 位移滯洄曲線及骨架線對比圖。可以看出，試件屈服前，數值模擬結果與試驗結果吻合較好；試件屈服后，由于數值模型中采用了是基于試件材性試驗的理想彈塑性模型，以及ANSYS分析軟件對材料本構關系下降段模擬的不足[15]，導致兩者之間存在一定差別。但是，試件的屈服狀態是研究的重點，因此，可以認為采用的數值模型能夠較好的模擬鋼管混凝土柱 鋼梁貫通式節點的整體性能。

圖7 荷載-位移曲線

圖8給出了不同加載階段，隔板典型測點的應力分布。可以看出，數值分析結果和試驗結果基本一致，這說明，可以采用本文所建立的數值模擬來研究鋼管混凝土柱 鋼梁貫通式節點隔板的力學行為。另一方面，隔板上的應力分布很不均勻，隨著離鋼梁距離的增加，隔板上應力快速衰減。由于布置的測點數量有限，無法得到節點區應力分布。

圖8 隔板應力分布

3 節點性能研究

采用上節建立的數值模型研究不同因素對鋼管混凝土柱 鋼梁隔板貫通式節點性能的影響。

3.1 研究參數

在試驗的基礎上，選定了3種典型鋼管，3種典型鋼梁作為對象，系統研究了不同隔板尺寸、梁截面對節點性能的影響（表1），其中，隔板厚度與鋼梁翼緣相同。

表1 參數列表

3.2 隔板尺寸對節點性能影響

圖9 荷載-位移曲線

圖9給出了鋼管截面為P457×10、鋼梁截面為H400×200×8×12、隔板外挑寬度a＝h／10時，隔板內伸寬度b分別取0.5a、1.0a、1.5a、2.0a4種情況下的荷載—位移曲線。由圖可以看出，增加隔板內伸寬度可以小幅提高節點的剛度、屈服荷載。節點屈服后，隔板內伸寬度對節點整體性能影響較小。

圖10給出了上述4種工況，加載位移為60mm時，隔板Von-Mises折算應力分布。可以看出，當隔板內伸寬度b＝0.5a時，鋼管內隔板的應力激增，隔板與鋼管連接處出現明顯的應力集中，梁下側（受壓區）與隔板連接處屈曲；當隔板內伸寬度b＝1.0a、1.5a時，隔板應力沿與梁軸線45°方向擴散，距隔板一定距離的梁全截面屈服，形成塑性鉸；當隔板內伸寬度b＝2.0a時，鋼管內隔板應力水平較低，利用率不高，梁上塑性鉸位置大致不變。這說明，當隔板外挑寬度一定時，改變隔板內伸寬度會影響節點的屈服荷載和破壞形式。

圖10 應力分布

圖11給出了鋼管截面為P457×10、鋼梁截面為H400×200×8×12、隔板外挑寬度a＝h／12、h／10、h／8、h／6（隔板內伸寬度b＝1.0a）時，4種情況下的荷載 位移曲線。由圖可以看出，增加隔板的外挑寬度也可小幅提高節點剛度、屈服荷載，但提高程度較增加隔板內伸寬度小。節點屈服后，隔板外挑寬度對節點整體性能影響較小。

圖11 荷載-位移曲線

圖12給出了上述4種工況，加載位移為60mm時，隔板Von-Mises折算應力分布。可以看出，隔板上應力分布基本相同，隨著隔板外挑寬度的增加，隔板應力與梁軸線的夾角逐漸減小；除隔板外挑寬度a＝h／12外，距隔板一定距離的梁全截面均屈服，形成塑性鉸；隔板外挑寬度a＝h／12時，鋼管內隔板的應力激增，隔板與鋼管連接處出現明顯的應力集中。這說明，當隔板內伸寬度與外挑寬度相同時，改變外挑寬度對節點性能影響不大，但隔板外挑寬度不宜過小。

通過參數分析可以得出，鋼管混凝土柱 鋼梁隔板貫通式節點的隔板外挑寬度宜大于h／10，用以緩解鋼管與隔板連接處的應力集中，防止連接焊縫出現脆性斷裂。隔板的內伸寬度不宜小于外挑寬度，用以保證隔板的剛度及應力傳遞。

圖12 應力分布

3.3 鋼梁截面對節點性能的影響

圖13給出了鋼管截面為P457×10、鋼梁截面為H275×115×8×12、H400×200×8×12、H400×200×10×16、H500×200×10×163種工況（隔板外挑寬度a＝h／10，隔板內伸寬度b＝0.5a），試件屈服后隔板的Von-Mises折算應力分布圖。

圖13 應力分布

由圖13可以看出，4種情況均在距隔板一定距離的梁上出現塑性鉸；但節點區應力分布有一定差別。當梁截面為H400×200×8×12、H500×200×10×16時（梁腹板寬厚比較小），梁腹板均出現明顯屈曲，使得節點的承載能力下降；當梁截面為H275×115×8×12、H400×200×10×16時（梁腹板寬厚比較大），節點區應力擴散更為充分。這說明，鋼梁腹板寬厚比對鋼管混凝土柱 鋼梁隔板貫通式節點有一定影響，提高鋼梁腹板寬厚比，能夠在一定程度上提高該種節點的承載能力。另一方面，增加梁翼緣厚度有利于克服鋼管對隔板應力的“截斷”作用。

通過參數分析可以得出，為了防止節點承載力大幅下降，宜按塑性要求控制鋼梁翼緣、腹板的寬厚比。

4 結 論

采用試驗與數值模擬相結合的方法對鋼管混凝土柱 鋼梁隔板貫通式節點的性能進行了研究，得到了如下結論：

1）以中海廣場為工程背景的鋼管混凝土柱 鋼梁隔板貫通式節點擬靜力試驗表明，該種節點能夠滿足“強節點弱構件”的抗震設計原則，節點的剛度、強度、延性均能滿足設計要求。

2）數值分析結果和試驗研究結果較為吻合，本文所建立的數值模型能夠模擬鋼管混凝土柱 鋼梁隔板貫通式節點的力學性能。

3）通過大量的參數分析，確定了不同參數對鋼管混凝土柱 鋼梁隔板貫通式節點性能的影響規律。根據研究成果，建議鋼管混凝土柱 鋼梁隔板貫通式節點的隔板與鋼梁翼緣同厚，以利于施工；隔板外挑寬度宜大于h／10，隔板內伸寬度不宜小于外挑寬度；為了防止節點承載力大幅下降，宜按塑性要求控制鋼梁翼緣、腹板的寬厚比。

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