復式鋼管混凝土柱-鋼梁組合節點性能研究

霍志偉 張富嬌

摘? 要：中空夾層鋼管混凝土柱-鋼梁采用穿心高強螺栓-外伸端板構成的組合節點建立有限元模型。分析了模型在梁端單調加載下的應力分布規律及柱軸壓比、方鋼管壁厚對節點力學性能的影響。

關鍵詞：中空夾層鋼管混凝土柱;穿心高強螺栓-端板節點;力學性能

中圖分類號：TU398.9? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）09-0076-02

Abstract： The finite element model of hollow sandwich concrete-filled double skin steel tubular is established using the combined joint of high strength bolt-end plate joint and axial compression ratio. The stress distribution law of the model under monotonic loading at the beam end， the axial compression ratio of the column and the influence of the wall thickness of the square steel tube on the mechanical properties of the joints are analyzed.

Keywords： concrete-filled double skin steel tubular （CFDST）; high strength bolt-end plate joint; mechanical property

引言

近年來，對于實心鋼管混凝土梁柱節點的性能研究已經有了較為成熟的研究成果。研究表明合理的梁柱連接節點設計可以顯著提高節點域的延性和結構的耗能能力。目前，對于鋼管混凝土柱-鋼梁節點采用的端板螺栓連接節點形式已有較為系統的研究，但節點力學性能的數值模擬較少，而應用于中空夾層鋼管混凝土柱-H型鋼梁的端板穿心螺栓組合節點未有研究。為此，本文參考實心鋼管混凝土梁柱節點連接形式，提出了適用于方中空夾層鋼管混凝土柱-H型鋼梁的穿芯高強螺栓-外伸端板組成的框架中柱組合節點并建立非線性有限元數值模型，分析典型模型單調加載過程中節點域應力分布規律，并對典型模型下的柱軸壓比和方鋼管壁厚等作為變化參數，研究其對節點力學性能的影響，以期為今后的研究提供較有價值的參考。

1 節點模型的建立

1.1 材料本構關系

選用ABAQUS軟件分析時，將低碳軟鋼和高強螺栓的本構關系曲線均簡化成雙折線模型，屈服后彈性模量為0.01倍初始彈性模量，夾層混凝土采用CDP模型。空心率在一定范圍內，中空夾層鋼管混凝土柱與傳統鋼管混凝土柱的受力性能近似，因此采用劉威提出的適用于有限元軟件分析的中空夾層鋼管混凝土本構關系模型，詳見文獻[4]。

對鋼梁、內外鋼管和夾層混凝土的模型建立均采用8節點六面體減縮積分實體單元（沙漏控制）。為精確處理結構當中存在的接觸問題，ABAQUS軟件采用接觸對來定義接觸，本文組合節點中涉及到的接觸關系有：內外鋼管與夾層混凝土、鋼管與端板、螺栓桿與混凝土以及螺栓與端板。設置各材料之間的界面法向均為硬接觸模擬，切向服從庫倫摩擦準則，摩擦系數取0.3;鋼梁與端板之間設置為綁定約束TIE模擬。加載方式為：柱頂加載軸力，梁端加載反對稱的位移。

1.2 典型模型的建立

選取框架結構在水平荷載作用下梁柱反彎點之間的十字形節點，以方套圓中空夾層鋼管混凝土柱-H型鋼梁穿芯高強螺栓-外伸端板連接節點為研究對象，其幾何尺寸和構造詳圖如圖1。方鋼管采用200mm×200mm×6mm，柱截面含鋼率為0.219;柱內同心圓鋼管截面外徑為80mm，壁厚為5mm;H型鋼梁HM250mm×175mm×7mm×11mm，跨度為1000mm;外伸端板200mm×450mm×20mm;穿心螺栓采用10.9級M20高強螺栓;混凝土強度等級為C50;內外鋼管強度等級為Q345，鋼梁強度等級為Q235;柱軸壓比為n=0.3，節點詳圖如圖1所示。

2 數值計算結果及參數分析

典型模型的節點極限狀態下Mises應力云圖如圖2所示，節點域附近應力云圖呈斜對角線分布，節點域核心區呈現剪切破壞，柱整體S型彎曲，梁端與加勁肋焊接的邊緣略有屈曲;鋼梁腹板的中部混凝土被壓碎且柱腹板有明顯隆起，鋼梁上下翼緣高度位置的端板處應力也較為集中;端板邊緣由于高強螺栓的撬力作用明顯，其最大變形位于最外排端板孔洞處;圖2（d）顯示了典型模型的穿心螺栓在峰值荷載下的應力分布云圖，穿心螺栓最大應力值均已超過屈服應力，且接近承載力;由于穿心高強螺栓與孔洞之間產生擠壓及螺桿整體受拉，導致應力最大值集中出現在螺桿端部和中部位置;圖2（c）是峰值荷載作用下夾層混凝土柱應力云圖，其應力整體上關于斜對角線反對稱分布，最大應力出現在沿端板高度方向邊緣位置，體現節點域夾層混凝土符合“斜壓桿”力學模型，節點核心區混凝土處于純剪狀態。

保持其它參數設置不變，依次選取軸壓比n為0.2、0.3、0.4、0.5、0.6為變化參數，研究軸壓比對典型模型節點力學性能的影響規律。在模型加載初期，節點域處于彈性范圍內，位移隨荷載增加呈現線性增長;由于夾層混凝土受到內外鋼管的約束作用，因此節點承載力變化不明顯;而隨著軸壓比的增大，尤其是當軸壓比n=0.6時，加載末期的承載力率先出現明顯下降，表明高軸壓比時會對結構承載力和延性產生不利影響，應予以控制。

隨著方鋼管壁厚增大節點承載力遞次增長，而沒有設置加勁肋的節點承載力最低;外鋼管整體變形協調一致，表明柱內圓鋼管不僅增加了柱的抗壓承載力且提高了節點域抗剪變形能力;節點域整體呈現剪切破壞，方鋼管壁厚的增大，節點域剪切變形逐漸減小，且H型鋼梁翼緣與加勁肋邊緣連接處的變形和應力呈現出較大增長，表明在截面空心率一定的情況下，增大方鋼管壁厚對柱承載力、節點域破壞形式以及梁端塑性鉸的形成有顯著影響;由于加勁肋的設置，鋼梁屈曲和應力最突出位置遠離節點域核心區。

3 結論

中空夾層鋼管混凝土柱內鋼管不僅增強了柱整體抗壓、節點域抗剪能力，還顯著的對節點力學性能產生影響;柱外鋼管壁厚的增大可以有效改善柱抗剪能力及整體受力性能;在一定范圍內，軸壓比的變化對節點承載力無明顯影響，但較高軸壓比會對節點延性產生影響;設置加勁肋可以改善梁端破壞形態及應力分布。

參考文獻：

[1]韓林海.鋼管混凝土結構[M].北京：科學出版社，2000.

[2]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，2009：200-205.

[3]呂西林，李學平，余勇.方鋼管混凝土柱與鋼梁連接的設計方法[J].同濟大學學報，2002，30（1）：1-5.

[4]鋼管混凝土局部受壓時的工作機理研究[D].福州：福州大學，2005.