裝配式鋼-混凝土組合框架受力性能有限元研究

張雯 梁朋

裝配式結構是指主要受力構件和部件采用工廠生產，并通過現場裝配連接而形成的結構形式。與傳統的混凝土結構現澆建造方式相比，建筑裝配式技術具有提高施工質量、縮短施工工期、降低能耗的優勢，是國際上公認的可持續發展技術[1]。近年來，我國提倡在建設中推廣“產業化模式”，萬科、遠大、西偉德等企業在工程中開始探索實踐預制混凝土（PCa）裝配式技術[2]。同時，相關的標準化圖集與裝配式技術規范的陸續推出，尤其是國家行業標準《裝配式混凝土結構技術規程》《裝配式鋼結構建筑技術標準》《裝配式鋼結構住宅建筑技術標準》的頒布與實施，使得標準化的裝配式技術開始有據可依。型鋼混凝土、鋼管混凝土等組合結構具有鋼結構和鋼筋混凝土結構的雙重優點，此類組合結構在我國多層、高層建筑中得到越來越廣泛的應用[3]。本文結合裝配式建筑、鋼管混凝土和型鋼混凝土構件的優點，提出一種裝配式鋼管混凝土柱-型鋼混凝土梁框架結構體系，以適應建筑工業化的發展要求。

ABAQUS 有限元分析軟件因其具有使用簡便、較高的非線性分析精度等特點，在機械、土木等領域已得到廣泛應用。本文采用ABAQUS 軟件進行兩榀裝配式鋼-混凝土組合框架在豎向靜力荷載作用下的受力性能研究，這兩榀框架采用H 型鋼混凝土梁，方鋼管核心混凝土柱，節點分別使用全焊接連接與栓-焊混合連接。

1.試件設計與材料本構

有限元分析試件采用裝配式組合結構框架1/3 縮尺模型，梁凈跨1000mm，柱高1000mm，梁型鋼采用HN100mm×50mm×5mm×7mm，配HRB400 縱筋、箍筋，柱外包方鋼管型號為□140mm×140mm×5mm，鋼材強度等級為Q235，混凝土強度等級為C35，高強螺栓采用8.8 級。H 型鋼通過加強環、端板與方鋼管連接，加強環、端板焊接于方鋼管壁，加強環與H 型鋼翼緣在同一水平面處，端板與H 型鋼腹板處在同一豎直面內。試件PCF1 節點處H 型鋼與加強環、端板全焊接連接；試件PCF2節點處H 型鋼翼緣與加強環焊接，H 型鋼腹板與端板通過雙蓋板高強螺栓連接，試件PCF2 鋼結構部件如圖1 所示。

混凝土本構關系采用ABAQUS 自帶的塑性損傷模型，型鋼、鋼筋、高強螺栓采用二折線應力-應變關系。

2.單元類型與約束條件

ABAQUS 軟件有限元模型可選用實體單元、殼單元、桁架單元及梁單元等進行應力分析，根據試件的材料與幾何形狀，除鋼筋選用桁架單元之外，其余構件按實體單元C3D8R 進行計算。

鋼筋、螺栓內置于梁混凝土之中，以提高分析效率；梁中混凝土與H 型鋼重疊的部分對混凝土部件進行切割；并將所有鋼構件裝配為一個整體，以考慮板件之間的焊接連接。梁上兩個豎向集中力通過剛性加載板施加，柱底約束采用與參考點耦合的固定連接。

圖1 PCF2 鋼結構部件

3.網格劃分與荷載方案

網格劃分是有限元模型計算精度與效率的重要影響因素，劃分前首先對整體模型布種，然后在鋼板厚度方向“按邊布種”，布置2 個種子，最后進行整體網格劃分。

兩點豎向集中荷載對稱作用于梁凈跨三分點處，以位移形式通過耦合特征點作用于梁頂加載板處，通過ABAQUS 場輸出文件的豎向反力確定極限荷載。

4.有限元分析結果

通過ABAQUS 軟件后處理模塊，可得到框架破壞過程、混凝土開裂情況、應力云圖、反力、位移等結果。

圖2 PCF1 梁混凝土等效塑性應變云圖

圖3 荷載-位移關系曲線

PCF1 框架由于剪跨比較小，極限狀態為梁支座處受剪破壞。方鋼管近節點處由于環板變形而受壓，柱底由于固定連接亦出現較大應力；由于鋼管內灌注混凝土，提高了穩定性與抗壓能力，鋼管未出現壓屈現象。節點處H 型鋼腹板、端板與加強環進入塑性狀態，說明了剪力大于彎矩，梁上出現受剪破壞。梁端出現塑性鉸區域，說明該連接方式保證了“強節點弱構件”“強柱弱梁”的設計要求。跨中梁底混凝土受拉開裂，節點處梁頂、柱頂混凝土因為負彎矩的存在也產生了開裂；節點處梁側面混凝土及梁跨中頂部混凝土出現較大壓應力而壓碎，呈現剪壓破壞特征，混凝土PEEQ 云圖如圖2 所示。

PCF2 總體破壞情況與PCF1 相似，局部應力分布有些許不同。節點處方鋼管柱上也出現了塑性區。由于極限狀態為梁支座處受剪破壞，此處雙蓋板高強螺栓連接比較PCF1 相當于對H 型鋼腹板進行了加強，抗剪能力得到了提高，因此支座混凝土壓碎區域較小，梁跨中頂部混凝土壓碎區域較大。高強螺栓蓋板未出現明顯變形，說明高強螺栓連接傳力較為可靠[4]。

根據兩試件的荷載-位移關系曲線（如圖3 所示）可知，栓-焊連接PCF2試件的極限荷載高于全焊接連接PCF1 試件約8.5%，說明高強螺栓連接保證了傳力的可靠性。兩種連接方式在靜載作用下受力性能相差不大，但在實際工程中，現場全焊接節點質量較難保證，且焊接部分較多，要求采取控制焊接殘余變形和殘余應力的相關措施，以保證連接處不出現脆性斷裂。栓-焊連接節點在保證構造要求的情況下不容易出現全焊接節點的脆斷現象，但螺栓處形狀復雜，混凝土澆筑時較難密實，若振搗不到位，容易出現孔洞，引起混凝土過早開裂或壓碎。因此設計時應按照工程特點及現場施工的實際條件選擇合適的連接方式，以保證節點關鍵部位的連接質量與受力性能，最大限度地利用材料，從而滿足住建部推動新型建筑工業化可持續發展的要求。

5.結語

（1）兩榀有限元模擬框架試件由于剪跨比較小，極限狀態為梁支座處的受剪破壞，方鋼管柱未出現壓屈現象；

（2）節點處鋼構件進入塑性狀態，塑性鉸位于梁端；

（3）栓-焊連接豎向荷載大于全焊接連接8.5%，差別不大，設計時應根據實際情況進行連接方式的選擇。