基于ABAQUS的全鋼裝配式牛腿安裝間隙研究

錢 斌，蔡鵬飛

(蘇州科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215011)

0 前 言

相較于傳統(tǒng)現(xiàn)澆鋼筋混凝土和砌體建筑而言，裝配式建筑是在施工現(xiàn)場(chǎng)拼接安裝工廠預(yù)制構(gòu)件的建筑方式。具有節(jié)水、節(jié)地、節(jié)能、利于建筑工廠化和環(huán)境效益好等優(yōu)勢(shì)，滿足綠色建筑的要求。在預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)中，節(jié)點(diǎn)對(duì)評(píng)估建筑連接可靠性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性起著非常重要的作用。

目前，預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)性能是研究的一大熱點(diǎn)。程萬鵬等[1]研究了預(yù)制裝配式鋼骨混凝土節(jié)點(diǎn)的滯回曲線。張振興等[2]探究了新型裝配式防屈曲支撐的滯回性能，考慮不同間隙情況下應(yīng)力分布情況和滯回性能。馬強(qiáng)強(qiáng)[3]對(duì)鋼管柱與H型鋼梁裝配式節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了研究,表明內(nèi)套筒與方鋼管柱的安裝間隙對(duì)節(jié)點(diǎn)的承載力、延性、剛度退化有較大影響。王燕等[4]研究了內(nèi)套筒厚度、端板厚度、肋板、制作誤差等對(duì)梁柱內(nèi)套筒組合螺栓連接節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的影響。

本文利用有限元軟件對(duì)一種新型的全鋼裝配式牛腿節(jié)點(diǎn)進(jìn)行非線性深化對(duì)比分析，揭示安裝間隙在常溫和火災(zāi)高溫下對(duì)此類節(jié)點(diǎn)性能的影響。

1 有限元模型簡(jiǎn)介

1.1 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

本次研究是全鋼裝配式梁柱牛腿節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)尺寸見圖1，①、④為材料Q235B，②材料為Q345B，③為SD1型螺栓。在工廠中錨板通過鋼筋預(yù)埋在預(yù)制型鋼混凝土柱內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)安裝階段，鋼牛腿的螺栓通過錨板上預(yù)留的圓孔套扣完成組裝，鋼牛腿上可懸掛梁，形成一個(gè)完整的梁柱節(jié)點(diǎn)。

圖1 節(jié)點(diǎn)詳圖

每4個(gè)節(jié)點(diǎn)為一組，間隙依次為0、0.5、1、1.5 mm，編號(hào)為J1-J12。第一、二組進(jìn)行常溫下偏心受壓試驗(yàn)，肋板厚度分別為20、30 mm；第三組進(jìn)行恒載升溫承壓試驗(yàn)，肋板厚度為30 mm，恒載為110 kN。

1.2 有限元模型

采用分離組合的方式建立模型，單元類型選用C3D8R實(shí)體單元。靜載試驗(yàn)?zāi)M時(shí)，用線性彈塑性力學(xué)強(qiáng)化模型作為型鋼的本構(gòu)以確保模擬的準(zhǔn)確性。型鋼焊接處均采用tie，面-面接觸中法向作用設(shè)置為“硬”接觸，切向摩擦采用“罰”系數(shù)。

溫度場(chǎng)分析時(shí)，采用ASTM E119標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線。材料的熱膨脹系數(shù)、熱傳導(dǎo)率和比熱選用Lie的模型，構(gòu)件3面受火且受火均勻。

力學(xué)分析時(shí)，單元網(wǎng)格劃分和節(jié)點(diǎn)編號(hào)一致，分析單元由熱分析轉(zhuǎn)換為力學(xué)分析。重新定義邊界條件，錨板采用固接，鋼牛腿上端約束Uz、URx、URy，并通過在墊塊上施加面荷載來施加豎向壓力。

2 常溫模擬結(jié)果與分析

圖2為不同安裝間隙節(jié)點(diǎn)在偏心受壓下的變形趨勢(shì)圖。可見，隨著安裝間隙的加大，牛腿節(jié)點(diǎn)會(huì)早于間隙小的節(jié)點(diǎn)進(jìn)入塑性階段，且極限承載力降低，其中0～0.5mm間極限荷載降低幅度最大。當(dāng)存在安裝間隙時(shí)，初始受力會(huì)產(chǎn)生一小段向下的滑移，間隙越大，滑移越大。肋板厚度的加大會(huì)顯著提高節(jié)點(diǎn)的極限荷載。

圖2 荷載-變形曲線

圖3為不同安裝間隙節(jié)點(diǎn)的彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線，可以看出鋼牛腿節(jié)點(diǎn)呈現(xiàn)出半剛性節(jié)點(diǎn)特征。J1、J2、J3、J4 試件的初始轉(zhuǎn)角分別為0.000 12、0.003 05、0.006 40、0.009 79，J5、J6、J7、J8 試件的初始轉(zhuǎn)角分別為0.000 14、0.003 10、0.006 44、0.009 76。由此可見裝配式牛腿與錨板的安裝間隙對(duì)節(jié)點(diǎn)初始轉(zhuǎn)角有一定的影響，這可能是因?yàn)殚g隙過大降低了節(jié)點(diǎn)與柱壁之間的協(xié)同工作效應(yīng)。

圖3 節(jié)點(diǎn)彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線

以圖3中的彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線彈性階段的斜率定義為節(jié)點(diǎn)的初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度[5]。各節(jié)點(diǎn)初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度依次為4 580、3 410、3 010、2 790、5 800、4 520、4 110、3 890 kN·m·rad-1。隨著間隙增加，節(jié)點(diǎn)的初始剛度顯著降低。當(dāng)肋板厚度為20 mm時(shí)，間隙從0 mm擴(kuò)大到2 mm時(shí)，初始剛度較上一個(gè)節(jié)點(diǎn)降低幅度依次為23%、11.7%、7%；當(dāng)肋板厚度30 mm時(shí)，間隙從0 mm擴(kuò)大到2 mm時(shí)，每階段的初始剛度較上一個(gè)節(jié)點(diǎn)降低幅度依次為22%、9.1%、5.4%。可以發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的初始剛度在0～0.5 mm降低幅度最大，然后依次降低。肋板的厚度對(duì)節(jié)點(diǎn)的初始剛度影響明顯，肋板的厚度加大，節(jié)點(diǎn)的初始剛度變大。因此，在實(shí)際安裝過程中應(yīng)當(dāng)盡可能提高制作精度，減少安裝間隙，把側(cè)板與柱壁的間隙控制在0～0.5 mm。

3 高溫下模擬結(jié)果與分析

火災(zāi)高溫下節(jié)點(diǎn)的溫度場(chǎng)一致，在熱-力耦合分析時(shí)表現(xiàn)出差異性。節(jié)點(diǎn)受熱膨脹，隨溫度升高，出現(xiàn)向上的豎向位移。隨著溫度升高，變形逐漸加大，鋼材的性能也在不斷劣化，牛腿剛度減小。當(dāng)向上變形達(dá)到最大值后，變形迅速回落，并轉(zhuǎn)化為向下的變形。接近耐火極限時(shí)，鋼牛腿向下的豎向位移迅速增大，試件破壞。安裝間隙大于0.5 mm的節(jié)點(diǎn)初始滑移量基本一致，隨著安裝間隙的加大，節(jié)點(diǎn)破壞前豎向位移速度加快，進(jìn)入耐火極限的時(shí)間提前。也就是說安裝間隙的加大會(huì)略微降低節(jié)點(diǎn)的耐火極限。

4 結(jié) 論

對(duì)不同安裝間隙的全鋼裝配式牛腿節(jié)點(diǎn)進(jìn)行模擬和分析，可得如下結(jié)論。

1)鋼牛腿節(jié)點(diǎn)呈現(xiàn)出半剛性節(jié)點(diǎn)特征。常溫下，隨著側(cè)板與柱壁安裝間隙的加大，牛腿節(jié)點(diǎn)會(huì)早于間隙小的節(jié)點(diǎn)進(jìn)入塑性階段，且節(jié)點(diǎn)的極限承載力降低。

2)節(jié)點(diǎn)的初始剛度隨肋板的加厚而增加；側(cè)板與柱壁安裝間隙會(huì)降低節(jié)點(diǎn)剛度，安裝間隙越大，節(jié)點(diǎn)的初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度越低，且降低幅度會(huì)逐漸變小。

3)在火災(zāi)高溫下，安裝間隙的加大會(huì)略微降低節(jié)點(diǎn)的耐火極限。因此，在實(shí)際安裝過程中應(yīng)當(dāng)盡可能提高制作精度，減少安裝間隙，把間隙控制在0.5 mm之內(nèi)。

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