鋼管混凝土組合柱節點開孔的設計與優化

陳文浩 雷勁松 王 明 廖昭印

(1.西南科技大學土木工程與建筑學院 四川綿陽 621010; 2.成都基準方中建筑設計有限公司南寧分公司 廣西南寧 530000)

鋼管混凝土疊合柱，簡稱疊合柱，是由截面中部的鋼管混凝土和鋼管外的鋼筋混凝土疊合而成的柱，疊合柱截面示意圖見圖1。鋼管混凝土疊合柱根據澆筑的時間可分為同期和不同期，管內外混凝土同期澆筑的稱為組合柱，反之為疊合柱。疊合柱由于具有承載力高、抗震性能好和施工較方便的特點，適用于我國非抗震和抗震設防區的建筑結構。

圖1 疊合柱類型Fig. 1 The type of the laminated column

目前文獻報道關于疊合柱節點研究較少，常用節點有環梁法[1]、鋼板翅片轉換型連接方法[2]等，但都存在一定的局限性。環梁法施工難度大，環梁的鋼筋網和管外鋼筋相互交錯比較密集，澆筑的混凝土很難保證密實，給施工造成極大不便，而且環梁直徑過大影響建筑使用功能。鋼板翅片轉換連接是針對鋼管不貫通的情況，需要在鋼管上焊接翅片將梁縱筋焊接在翅片上，該方法增加了施工現場的焊接工作量，存在施工安全隱患。本文通過文獻[3]了解到，可以在鋼管上開穿鋼筋小孔的連接節點(如圖2)，該方法通過模型試驗為基礎的理論分析和多個工程實踐證明其具有安全可靠和經濟實用的優點。因此，本文基于某工程項目對采用的鋼管混凝土組合柱進行鋼管開穿孔洞作為連接節點進行研究。本次研究分兩個方面：第一是不同的開孔方式、數量和大小對鋼管應力分布和疊合柱承載力造成的影響；第二是開孔周圍分別加環箍、橫豎箍筋、橫豎加勁板對鋼管應力分布和組合柱承載力的影響。基于以上分析提出了最優開孔方式和加強措施。

圖2 鋼管開小孔節點Fig. 2 Pipe opening node

1 模型的建立

1.1 材料的本構模型

本模型鋼筋采用HRB400和HRB500鋼筋，文獻[4]表明對于高強鋼材一般采用如圖3所示的雙線性模型，該模型分彈性段和強化段，強化段的彈性模量取值為0.01Es，Es為鋼材的彈性模量。

圖3 鋼材的應力應變關系模型Fig. 3 Stress-strain relationship model of steel

在計算過程中，鋼材的彈性模量和泊松比分別取為200 000 MPa和0.3。在鋼材的應力達到極限強度后，強度不再增加。混凝土的本構模型采用ABAQUS中提供的混凝土塑性損傷模型，該模型最早由Lubliner[5]提出，Lee和Fenves[6]在其基礎上引入損傷變量使其能夠較好地反應混凝土在軸壓加載情況下的受力性能。混凝土的受壓應力-應變關系考慮鋼管對內部混凝土的約束效應，采用韓臨海[4]的應力-應變模型。鋼管外的混凝土采用《混凝土結構設計規范》[7]GB 50010—2010中的混凝土單軸受壓的應力-應變曲線。

1.2 單元的選取

核心混凝土、管外混凝土(包括梁混凝土和鋼管外的柱混凝土)均采用八節點減縮積分的三維實體單元，即C3D8R單元。縱向鋼筋和梁、柱箍筋采用兩節點三維線性梁單元，即T3D2。鋼管采用S4R單元，沿殼單元厚度方向上采用9個積分點的Simpson積分以滿足一定的計算精度。該單元為四節點減縮積分殼單元，它允許沿殼的厚度方向發生剪切變形，且其求解方法會隨著殼體厚度的變化而自動服從薄殼或厚殼理論。

1.3 接觸關系

通過定義法向和切向的接觸關系來模擬鋼管和內外混凝土間的接觸關系。在法線方向，鋼管和外混凝土、鋼管和內混凝土間的接觸為“硬接觸”，垂直于法線方向的壓力可以完全傳遞，鋼管和混凝土間的單元不能相互穿透。在切線方向，混凝土和鋼材之間采用“Penalty”中的“friction coef”來考慮鋼材和混凝土界面間的摩擦力。通常認為該摩擦力為庫侖摩擦力。研究結果表明，界面摩擦系數[8]在0.2～0.6之間取值。本文鋼管與核心混凝土的界面摩擦系數取為0.6，鋼管與外圍混凝土之間的摩擦系數取0.25。

基于以上材料本構和接觸模型，在ABAQUS中建立如圖4所示有限元模型。 圖5-圖14為不同開孔方式、數量、大小和不同增強措施的有限元模型。

圖4 鋼管混凝土組合柱-鋼筋混凝土梁節點Fig.4 Steel tube concrete composite column-reinforced concrete beam joints

Col-A：鋼管未開孔的組合柱模型，如圖5所示。

Col-A600×900：在柱高中部環向布置一排4個尺寸為600 mm×900 mm的矩形孔，如圖6。

Col-A600×900L：在柱高中部環向布置一排4個尺寸為600 mm×900 mm的矩形孔，同時增加4個框架梁，考慮框架梁對開孔處約束作用，如圖7。

Col-A600×900L+HG：在圖7的基礎上在梁開孔處上下增加環箍，如圖8所示。

Col-A600×900L+HSGJ：在圖7的基礎上增加橫豎箍筋環，如圖9所示。

Col-A600×900L+HSJB：在圖7的基礎上增加橫豎加勁板，如圖10所示。

Col-A600×100：在柱高中部環向布置一排4個尺寸為600 mm×100 mm的矩形孔，如圖11所示。

Col-A600×100+HG：在圖11的基礎上增加環箍如圖12所示。環箍的直徑為28 mm，其材質為HRB400。

Col-A600×100+HSGJ：在圖11的基礎上增加橫豎箍筋，如圖13所示。

Col-A600×100+HSJB：在圖11的基礎上增加橫豎加勁板，如圖14所示。加勁板的板厚為30 mm，其材質為Q345。

圖5 Col-AFig.5 Col-A model圖6 Col-A600×900Fig.6 Col-A600×900 model圖7 Col-A600×900LFig.7 Col-A600×900L model圖8 Col-A600×900L+HGFig.8 Col-A600×900L+HG model圖9 Col-A600×900L+HSGJFig.9 Col-A600×900L+HSGJ model圖10 Col-A600×900+HSJBFig.10 Col-A600×900+HSJB model

圖11 Col-A100×600Fig.11 Col-A100×600 model圖12 Col-A600×100+HGFig.12 Col-A600×100+HG model圖13 Col-A600×100+HSGJFig.13 Col-A600×100+HSGJ model圖14 Col-A600×100+HSJBFig.14 Col-A600×100+HSJB model

2 模型驗證

為了驗證有限元模型的正確性，基于康洪震[9]中CC4，CC5，CC6試驗數據，建立相應的3個模型，該文研究18根組合柱的軸壓試驗，通過得出的軸力-縱向應變曲線分析組合柱的性能，因此本文也從模型中提取軸力-應變曲線進行對比分析。圖15-圖17給出了模型的計算結果和文獻的計算結果，計算數據表明有限元計算結果和試驗結果總體上吻合較好。

圖15 試件CC4Fig. 15 Test piece CC4

圖16 試件CC5Fig. 16 Test piece CC5

圖17 試件CC6Fig. 17 Test piece CC6

3 模型分析

本文建模基于某實際工程案例的梁柱節點，其中配筋數據通過盈建科計算得出，如圖18所示。

為深入了解鋼管混凝土組合柱開孔的大小、數量和加強措施對疊合柱承載力性能的影響，對其分別建模，通過承載力和其應力云圖來比較最優開孔方式和加強措施。

根據《鋼管混凝土疊合柱結構技術規程》[2]8.2.4第3條“梁的縱向鋼筋單筋穿過鋼管時鋼管管壁上開圓孔其直徑不宜小于d+13 mm”和第4條“梁的縱向鋼筋并筋穿過鋼管時，或梁的最外側為兩排穿過鋼管時，鋼管管壁上可開長圓形的孔，孔的大小應考慮施工時梁的縱向鋼筋能順利穿過”。由此可知目前疊合柱技術規程對鋼管的開孔沒有明確的要求，只考慮了開孔的大小能否滿足鋼筋穿過。李寧波[10]根據某工程項目中某梁柱節點進行1/3的縮尺試驗，試驗表明開孔為115 mm×67 mm(弧長×高)的穿筋節點有著較好的抗震性能，因此本文基于某工程提出對鋼管開孔600 mm×100 mm，600 mm×900 mm兩種進行模擬分析。另外，在規范8.24第6條也提到“不同期施工的疊合柱和同期施工的疊合柱，鋼管管壁上開孔的截面損失率分別不宜大于30%和50%，超過時宜在孔側和孔間加焊豎向肋板或鋼筋補強”。本次開孔造成截面損失為64%，參照工程背景中柱選用的是鋼管混凝土組合柱，針對截面損失超過規范要求，因此選用鋼筋環箍、橫豎箍筋、橫豎加勁板來增強鋼管。

圖18 梁柱節點配筋Fig. 18 Beam joint reinforcement

圖19是根據不同的開孔及加強措施得出的軸力-位移曲線。其中軸力達到180 000 kN是未開孔的組合柱，最下面的紅色曲線是開孔600 mm×900 mm時的組合柱，在沿柱高中部開孔后柱子承載力被大幅度削弱，下降了17.8%。另外兩類曲線分別是開孔600 mm×900 mm后通過框架梁約束、環箍、橫豎箍筋網等加強措施的組合柱和開孔600 mm×100 mm后增加環箍、橫豎箍筋網等加強措施的組合柱。計算表明：鋼管混凝土組合柱在峰值頂點之前軸力與位移基本是直線，表明塑性很小，峰值頂點之后曲線都呈下降趨勢，開孔600 mm×100 mm的下降趨勢明顯比開孔600 mm×900 mm的緩慢，可見開孔600 mm×100 mm，即使進入屈服階段后，組合柱的性能也更加優越。總的來說，鋼管混凝土組合柱在柱端逐漸增大的軸壓力作用下，其受力全過程經歷了節點核心區混凝土開裂、柱內箍筋、受壓筋、鋼管屈服等階段后達到其極限狀態，其中，管外鋼筋混凝土里面鋼筋網最先達到極限強度，而此時鋼管及核心混凝土還未達到極限強度。

圖19 軸力-位移曲線Fig. 19 Axial force-displacement curve

3.1 600 mm×900 mm開孔及不同的增強措施對組合柱承載力的影響

(1)根據圖5-圖10所建的6個模型得出荷載-位移圖(見圖19)，其中未開孔的軸力180 000 kN，開孔后為148 000 kN，降低17.8%，通過框梁約束后軸力為160 892 kN，與開孔相比提高了8%，說明增加框架梁的約束能有效提高該柱的承載力。

(2)在框梁約束后的開孔處增加環箍、橫豎箍筋、橫豎加勁板對承載力的提升有限，最大承載力分別為161 274，161 656，162 470 kN，可以得出其加強效果為橫豎加勁板>橫豎箍筋>環箍。

(3)開洞后的柱子的最大承載力也遠大于規范值，通過加強后其承載力約為規范值1.3倍。

3.2 600 mm×100 mm開孔及不同的增強措施對組合柱承載力的影響

(1)根據圖5、圖11-圖14所建的5個模型得出荷載-位移圖(見圖19)，未開孔的軸力為180 000 kN，開孔后為158 600 kN，承載力降低了12%。

(2)在開孔附近增加環箍、橫豎箍筋、橫豎加勁板的承載力分別為159 685，159 927，162 038 kN，說明橫豎加勁板的效果最好。

(3)開孔后的承載力大約為160 000 kN，遠遠超過規范值的要求，可見開孔后的模型也符合要求。

承載力分析表明：開孔600 mm×900 mm經過框架梁約束后承載力略高于開孔600 mm×100 mm；不同的開孔形式通過相同的加強方式，橫豎加勁板的承載力大于其他兩種，說明該加強方式比較好；不同的開孔方式在經過橫豎加勁板約束后其最大承載力約為162 000 kN；兩種開孔方式的最大承載力都遠大于規范值，符合要求。

3.3 應力云圖比較

根據圖19可知在6 mm處軸力約為135 000 kN，承載力也高于規范值，提取6 mm處的應力云圖進行了比較分析。

(1)未開孔的應力為284 MPa，開孔600 mm×900 mm后的應力為320 MPa，開孔后加框架梁約束后應力有一定降低，其值為303 MPa(圖20-圖22)。

(2)組合柱開孔600 mm×900 mm加框架梁約束后分別增加環箍、橫豎箍筋、橫豎加勁板，應力都有不同程度降低，其值分別為299,293,280 MPa，可見橫豎加勁板的效果最好而且比未開孔的應力都低(圖23-圖25)。

(3)組合柱開孔600 mm×100 mm的應力為297 MPa，與開孔600 mm×900 mm加框梁約束后的應力(303 MPa)相比略低，可見開孔600 mm×100 mm的方式較好(圖22、圖26)。

(4)組合柱開孔600 mm×100 mm后分別加環箍、橫豎箍筋、橫豎加勁板后其應力都有一定降低，分別為289,280,274 MPa，可見增加橫豎加勁板效果很好(圖27-圖29)。

(5)兩種開孔方式的應力Col-A600×900L(303 MPa)>Col-A600×100(297 MPa)，Col-A600×900L+HG(299 MPa)>Col-A600×100+HG(289 MPa)，Col-A600×900L+HSGJ(293 MPa)>Col-A600×100+HSGJ(280 MPa)，Col-A600×900L+HSJB(280 MPa)>Col-A600×100+HSJB(274 MPa)，根據應力比較可知組合柱開孔600 mm×100 mm后增加橫豎加勁板效果優于開孔600 mm×900 mm(圖22-圖29)。

圖20 Col-AFig.20 Col-A model圖21 Col-A600×900Fig.21 Col-A600×900 model圖22 Col-A600×900LFig.22 Col-A600×900L model圖23 Col-A600×900L+HGFig.23 Col-A600×900L+HG model圖24 Col-A600×900L+HSGJFig.24 Col-A600×900L+HSGJ model圖25 Col-A600×900L+HSJBFig.25 Col-A600×900L+HSJB model

4 結論

通過10個鋼管混凝土組合柱的模擬計算與分析，可以得到以下結論：(1)組合柱在經過600 mm×100 mm和600 mm×900 mm的開孔后承載力都有很大程度降低，分別為148 000，158 600 kN，分析表明經過框架梁及環箍、橫豎箍筋、橫豎加勁板約束后承載力得到有效恢復，其中600 mm×900 mm開孔經過一系列增強后承載力最好，其承載力為162 470 kN。(2)組合柱不同尺寸開孔后增加環箍、橫豎箍筋、橫豎加勁板約束，對組合柱的承載力有一定提升，孔洞周圍的應力也有一定降低，其中橫豎加勁板約束效果最好。(3)組合柱中600 mm×100 mm和600 mm×900 mm開孔經過框架梁和加勁板約束后承載力約為162 000 kN，應力約為280 MPa，與開孔相比，軸力和應力都得到有效提升，基于施工便利和承載力的因素，選用600 mm×900 mm的開孔更為合適。