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 土木工程學院，江蘇 蘇州 215011)

0 前 言

相較于傳統現澆鋼筋混凝土和砌體建筑而言，裝配式建筑是在施工現場拼接安裝工廠預制構件的建筑方式。具有節水、節地、節能、利于建筑工廠化和環境效益好等優勢，滿足綠色建筑的要求。在預制裝配式結構中，節點對評估建筑連接可靠性和結構穩定性起著非常重要的作用。

目前，預制裝配式結構的節點性能是研究的一大熱點。程萬鵬等[1]研究了預制裝配式鋼骨混凝土節點的滯回曲線。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力分布情況和滯回性能。馬強強[3]對鋼管柱與H型鋼梁裝配式節點進行了研究,表明內套筒與方鋼管柱的安裝間隙對節點的承載力、延性、剛度退化有較大影響。王燕等[4]研究了內套筒厚度、端板厚度、肋板、制作誤差等對梁柱內套筒組合螺栓連接節點力學性能的影響。

本文利用有限元軟件對一種新型的全鋼裝配式牛腿節點進行非線性深化對比分析，揭示安裝間隙在常溫和火災高溫下對此類節點性能的影響。

1 有限元模型簡介

1.1 節點設計

本次研究是全鋼裝配式梁柱牛腿節點，節點尺寸見圖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埋在預制型鋼混凝土柱內，現場安裝階段，鋼牛腿的螺栓通過錨板上預留的圓孔套扣完成組裝，鋼牛腿上可懸掛梁，形成一個完整的梁柱節點。

圖1 節點詳圖

每4個節點為一組，間隙依次為0、0.5、1、1.5 mm，編號為J1-J12。第一、二組進行常溫下偏心受壓試驗，肋板厚度分別為20、30 mm；第三組進行恒載升溫承壓試驗，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實體單元。靜載試驗模擬時，用線性彈塑性力學強化模型作為型鋼的本構以確保模擬的準確性。型鋼焊接處均采用tie，面-面接觸中法向作用設置為“硬”接觸，切向摩擦采用“罰”系數。

溫度場分析時，采用ASTM E119標準升溫曲線。材料的熱膨脹系數、熱傳導率和比熱選用Lie的模型，構件3面受火且受火均勻。

力學分析時，單元網格劃分和節點編號一致，分析單元由熱分析轉換為力學分析。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 常溫模擬結果與分析

圖2為不同安裝間隙節點在偏心受壓下的變形趨勢圖。可見，隨著安裝間隙的加大，牛腿節點會早于間隙小的節點進入塑性階段，且極限承載力降低，其中0～0.5mm間極限荷載降低幅度最大。當存在安裝間隙時，初始受力會產生一小段向下的滑移，間隙越大，滑移越大。肋板厚度的加大會顯著提高節點的極限荷載。

圖2 荷載-變形曲線

圖3為不同安裝間隙節點的彎矩-轉角關系曲線，可以看出鋼牛腿節點呈現出半剛性節點特征。J1、J2、J3、J4 試件的初始轉角分別為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節點初始轉角有一定的影響，這可能是因為間隙過大降低了節點與柱壁之間的協同工作效應。

圖3 節點彎矩-轉角關系曲線

以圖3中的彎矩-轉角關系曲線彈性階段的斜率定義為節點的初始轉動剛度[5]。各節點初始轉動剛度依次為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，節點的初始剛度顯著降低。當肋板厚度為20 mm時，間隙從0 mm擴大到2 mm時，初始剛度較上一個節點降低幅度依次為23%、11.7%、7%；當肋板厚度30 mm時，間隙從0 mm擴大到2 mm時，每階段的初始剛度較上一個節點降低幅度依次為22%、9.1%、5.4%。可以發現節點的初始剛度在0～0.5 mm降低幅度最大，然后依次降低。肋板的厚度對節點的初始剛度影響明顯，肋板的厚度加大，節點的初始剛度變大。因此，在實際安裝過程中應當盡可能提高制作精度，減少安裝間隙，把側板與柱壁的間隙控制在0～0.5 mm。

3 高溫下模擬結果與分析

火災高溫下節點的溫度場一致，在熱-力耦合分析時表現出差異性。節點受熱膨脹，隨溫度升高，出現向上的豎向位移。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。當向上變形達到最大值后，變形迅速回落，并轉化為向下的變形。接近耐火極限時，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的節點初始滑移量基本一致，隨著安裝間隙的加大，節點破壞前豎向位移速度加快，進入耐火極限的時間提前。也就是說安裝間隙的加大會略微降低節點的耐火極限。

4 結 論

對不同安裝間隙的全鋼裝配式牛腿節點進行模擬和分析，可得如下結論。

1)鋼牛腿節點呈現出半剛性節點特征。常溫下，隨著側板與柱壁安裝間隙的加大，牛腿節點會早于間隙小的節點進入塑性階段，且節點的極限承載力降低。

2)節點的初始剛度隨肋板的加厚而增加；側板與柱壁安裝間隙會降低節點剛度，安裝間隙越大，節點的初始轉動剛度越低，且降低幅度會逐漸變小。

3)在火災高溫下，安裝間隙的加大會略微降低節點的耐火極限。因此，在實際安裝過程中應當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。

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