鋼管混凝土梁柱加強環螺栓節點受力性能優化研究

石若利 潘志成 肖功杰 張軍 熊建漓 孫志穎

摘要：為研究具有不同構造形式的加強環螺栓連接節點的力學性能，基于網鋼管混凝土柱鋼梁外加強環螺栓連接節點單調加載試驗結果，采用合適的混凝土與鋼材本構模型，通過ABAous建立該類節點的三維精細化有限元分析模型;對比分析試驗和模型的受力特征和破壞形式，驗證了數值模型的可靠性;與加強環焊接剛接節點對比，通過對不同構造措施下的加強環螺栓連接節點進行數值模擬，分析結果表明：加強環上采用4排螺栓并加設腹板加勁肋和環板加勁肋的加強環螺栓連接節點可達到全焊加強環剛接節點的初始剛度和抗彎承載力。

關鍵詞：抗震結構;鋼管混凝土梁柱;外加強環;螺栓連接;剛接節點;初始剛度

中圖分類號：TU352.11;TU375.4

文獻標志碼：A

文章編號：10044523（ 2022）01-0113-10

DOI： 10.1638 5/j .cnki.issn.10044523.2022.01.012

1 概 述

鋼管混凝土柱因其具有剛度大、承載力高、抗震性能好以及施工速度快等優點，被廣泛應用到高層和超高層建筑結構中[1]。梁柱節點是影響結構整體性能的關鍵部位，目前已有不少學者對傳統的鋼管混凝土柱一鋼梁加強環節點（圖1（a））進行了深入研究。如Li等[2]進行了24個方形鋼管混凝土柱一鋼梁節點試驗和有限元分析，結果表明內隔板外加強環節點的抗震性能最優;陳鵑等[3]開展了6個加強環節點的靜力性能試驗和有限元分析，表明部分環節點的剛度相當于整環節點剛度的89%;牟彝等[4]采用試驗研究分析了方形鋼管混凝土柱一不等深鋼梁外加強環節點，結果表明梁深比和鋼管寬厚比是控制整個節點屈服和抗剪強度的主要參數。上述研究表明傳統的外加強環全焊節點具有良好的剛度、承載能力與耗能能力。

1994年美國Northridge地震和1995年日本神戶地震的震后調查發現，鋼結構中采用傳統全焊的外環板式連接節點，因翼緣焊縫質量缺陷而發生了脆性破壞，而采用加強環翼緣螺栓連接節點并無影響，為此部分學者對鋼梁翼緣螺栓連接節點進行了研究。如Zhang等[5]設計了一種外加強環懸臂短梁翼緣蓋板螺栓連接節點，試驗和有限元分析顯示蓋板能產生較大的塑性變形，節點具備足夠的延性;Bagheri等[6]對加強環螺栓連接節點進行有限元分析，通過改變構造措施，發現垂直加勁肋和蓋板連接鋼梁和外加強環，可使節點具有更好的承載能力;Qin等[7]進行了傳統的焊接加強環節點和改良的螺栓加強環節點的靜力對比試驗研究，發現后者可以延緩下翼緣開裂且具有更好的承載力。

鋼結構中螺栓連接節點不僅避免了翼緣的焊接作業，而且符合裝配式建筑發展趨勢，圖1（b）所示新西蘭奧蘭克國際機場采用圓鋼管混凝土柱一鋼梁外加強環螺栓連接節點8I，為了考察該類型節點的受力性能，本文主要開展以下工作：（1）基于文獻[9]中2個圓鋼管混凝土柱一鋼梁外加強環螺栓連接節點單調加載試驗結果，探討其剛度、承載力和破壞模式;（2）采用混凝土三軸塑性本構模型與鋼材彈塑性本構模型，通過ABAQUS有限元軟件建立鋼管混凝土柱一鋼梁加強環螺栓節點的三維實體有限元模型并進行試驗驗證;（3）采用該有限元模型進行參數分析，對比傳統外加強環剛接節點，增設7種構造措施的算例以優化加強環螺栓連接節點的受力性能，使之達到傳統外加強環剛接節點的要求。

2 試驗簡介

2.1 試件尺寸及材性

本文研究的2個鋼管混凝土柱一鋼梁螺栓連接外加強環邊柱節點[9]，尺寸與連接方法如圖2所示，節點由網形鋼管混凝土柱與鋼梁通過外加強環、螺栓、連接板、墊板連接組成，試件主要參數和鋼材材性性能[10]如表1和2所示。鋼材牌號均采用Q235B，柱高（H）為1700 mm，梁長（L）為1000 mm。2個節點的外環板和鋼梁通過安裝2排3列10.9級M20和M16高強螺栓連接，平均屈服強度（fy）為921 MPa，平均極限強度（fu）為1010 MPa。鋼管內采用C40混凝土，其標準立方體平均抗壓強度（fcu）[11]為45.17 MPa。

2.2 加載裝置、制度及測點布置

節點加載裝置示意圖如圖3（a）所示。首先在柱頂豎向荷載施加恒定軸壓力為630 kN，對應的柱軸壓比（n）[12]1為0.16。然后，分3級進行預加載至預估最大荷載的10%，每級停歇5 min，再卸載到初始位置;正式加載階段，柱端采用水平位移控制，加載步驟為每級位移增量為5 mm，每級加載時間為5min，直到試件承載力下降到極限承載力的85%或節點有明顯的破壞現象時停止加載，加載制度如圖3（b）所示。鋼管柱、外環板和鋼梁等應變測點布置以及節點核心區上下側鋼管柱水平位移、環板變形和鋼梁翼緣撓度測點布置如圖4和5所示。

3 有限元模型與驗證

3.1 有限元模型

3.1.1 材料本構關系

單軸壓、拉混凝土本構模型采用Ding等[12]提出的表達式：

在混凝土單軸壓、拉本構模型的基礎上，在ABAQUS有限元軟件中通過設置參數形成混凝土三軸塑性一損傷本構模型，各參數取值如下：拉、壓子午線上第二應力不變量的比值為2/3，膨脹角為40°，流動偏角取0.1，雙軸等壓時混凝土的強度與單軸強度之比為1.225，黏性系數為0.005;混凝土的泊松比取值為0.2。

鋼管、鋼梁、端板和加勁肋的應力一應變關系取為[12]：

高強螺栓采用彈塑性三折線本構模型，其應力一應變關系取為[13]：式中 彈性階段的彈性模量Es=2.02×10 5 MPa，屈服應變εv=0.456%，極限應變εu=10%;高強螺栓的泊松比取值為0.3，強化階段的彈模（Esr）、屈服強度（fy）和極限強度（fu）按材性試驗數據取值。

3.1.2 界面模擬與網格劃分

外加強環板與鋼管、連接板與鋼管采用綁定約束，鋼管和混凝土、鋼梁和環板以及螺栓采用庫倫摩擦型接觸[14]，螺栓桿與螺栓孔間的摩擦系數取0.2，鋼梁與外加強環板、鋼梁與墊板、鋼梁與螺帽、螺帽與連接板、螺帽與外加強環板、螺帽與墊板的摩擦系數取0.35，鋼管與混凝土的摩擦系數取0.5。通過單元類型的靈敏度分析，節點試件各部件均采用八節點減縮積分格式的三維實體單元（C3D8R），無論是粗網格還是細網格都能提供好的收斂結果。單元網格劃分時，通過網格靈敏度分析，本文采用100，50和20 mm三種網格尺寸來建立模型，能獲得更好的計算精度。有限元模型如圖6所示。

3.1.3 邊界條件與加載方式

三維實體節點模型采用與試驗一致的邊界條件：柱底按鉸接模擬，即X，y，Z三個方向的位移均設置為0，柱頂設置X，y兩個方向的位移和繞Z軸的轉動約束，鋼梁端部約束X方向的位移，繞y軸和Z軸旋轉。在分析步中設置6步，其中第1～4步用于激活邊界條件，同時施加螺栓預緊力155 kN[15];第5步將預緊力固定在當前長度，并在柱端施加軸壓力;第6步中，在柱端X方向輸入側向位移。

3.2 有限元驗證

3.2.1 破壞特征對比

單調加載過程中節點CFST-IS的破壞過程如下：（1）柱端加載初期，荷載和位移關系基本成正比，節點表現為彈性工作狀態;（2）繼續加載使得梁翼緣與環板開始出現相對滑移，并伴隨滑移響聲;（3）隨著荷載的加大，試件進入屈服階段，其外環板外側鋼梁腹板處出現豎向屈服線條紋與橫向屈服條紋（圖7（a））;（4）當到達極限承載力之后，節點破壞出現在加強環外側鋼梁翼緣及腹板上，表現為梁端出現塑性鉸而破壞（圖7（b））;有限元模擬試件的破壞形態與試驗結果基本吻合，如表3和圖7所示。

節點CFST-2S，由于鋼梁截面變小，且加強環和翼緣連接處無墊板，其破壞過程如下：（l）加載初期，與節點CFST-IS表現出相近的試驗現象;（2）繼續加載，在加強環外側鋼梁腹板比翼緣先出現屈服條紋，鋼梁受壓翼緣產生屈曲變形（圖8（a））;（3）結合有限元模擬，發現節點破壞為鋼梁腹板受剪和鋼梁受壓翼緣屈曲所致，如表3和圖8所示，模擬結果與試驗也基本吻合。

3.2.2 彎矩一轉角曲線對比

根據文獻中[16]的通用彎矩屈服法（如圖9所示）來定義節點屈服彎矩My和屈服轉角θy，以及最高點對應的極限彎矩Mmax和極限轉角θmax，Mu和θu為試件的破壞荷載及破壞轉角，其中節點彎矩M定義為水平荷載與加載點到鋼梁中心線距離的乘積，節點轉角θ為柱端轉角θ。與梁端轉角θb之差決定，而梁端和柱端轉角為對應位移計測量值與位移計擺放距離的商，Mu=0.85Mrnax。采用轉角位移延性系數μθ[16]來研究節點的延性特征，即：μθ=θn/θu，如表4所示。與CFST-2S節點比較，CFST-IS節點鋼梁截面增大并增設墊板，極限承載力增大80%，但CFST-IS節點達到極限承載力之后節點承載力退化顯著，延性低。兩節點CFST-IS、CFST-2S有限元計算曲線與試驗曲線的比較如圖10所示，兩者吻合較好，因節點CFST-IS增大梁高和增設墊板，有限元模擬的承載力并沒有出現顯著的退化。初始剛度、屈服彎矩、極限彎矩、破壞彎矩的比較如圖11和表4所示，可見兩者的誤差在10%以內，其中初始剛度Sint定義為彎矩達到承載力20%時對應的抗彎剛度。

3.2.3 應變一位移曲線對比

圖12為有限元模型與試驗在關鍵點處應變一位移曲線的對比，可見兩者的應變規律基本一致，但由于模型是在理想狀態下建立的，沒有考慮環境溫度、節點柱底端銷軸滑移、柱頂滑動支座摩擦、焊縫等因素的影響，兩者不完全吻合。對比各部件關鍵點處的應變，發現鋼管應變小于加強環板和鋼梁的應變，鋼管基本處于彈性階段，鋼梁翼緣因加載后期形成塑性鉸，應變值增大明顯。

4 有限元參數分析

4.1 節點優化及其構造措施

為進一步提升該類節點的受力性能，使得加強環螺栓節點的剛度和承載力能達到傳統的加強環全焊接剛接節點的效果，以節點CFST-IS為參照（因墊板存在使得該類節點受力性能更好），采取優化節點性能的構造措施，設計了7個外加強環高強螺栓連接節點和1個加強環全焊接節點算例，模型編號為GZ-I-G2-7和CGJ，如表5所示。

4.2 應力與應變分析

由圖13可見，對于加強環螺栓連接節點，其主拉應力與主壓應力峰值在鋼梁上下翼緣與加強環板端交界處，同時向節點區域內、外發散;對于加強環焊接剛接節點，主拉應力與主壓應力均從加強環與鋼管連接處向外發散。圖14所示為模型鋼梁應變沿梁高的分布規律，其中縱坐標負值為壓應變，正值為拉應變;可見增設腹板加勁肋和增設環板加勁肋能明顯抑制節點區域鋼梁截面受壓區的應變，增加螺栓排數也能有效抑制節點區域鋼梁截面的應變。上述構造措施使得節點破壞時梁端塑性鉸外移。

4.3 剛度與承載力分析

算例CGJ和CFST-IS-FEM以及GZ-1--G2-7的彎矩一轉角曲線、剛度和承載力的對比如圖15和表6所示。可見：（l）比較G2-2與G2-5，G2-3與G2-6，增設腹板加勁肋能限制加強環板外側鋼梁腹板、翼緣屈曲變形，提高節點承載力;（2）比較CFST-IS-FEM與G2-2，G2-5與G2-7，在環板上增設加勁肋，節點初始剛度分別提升10.7%，11.3%和18.5%，同時限制環板和翼緣相對滑移，曲線滑移段消失;（3）增加外加強環板螺栓排數對節點的剛度和承載力的提高均能達到11%左右;（4）節點G2-4和G2-7剛度分別達到剛接節點CGJ的97%和100%，承載力分別達到剛性節點CGJ的103%和106%，可以作為剛接節點。

4.4 節點連接特性分析

歐洲規范EC3 Part1-8[17]根據節點剛度和強度分為鉸接、半剛性連接和剛性連接等三類節點，該方法關于半剛性節點的定義過于寬廣而不夠實用。本文將所有的加強環螺栓節點與加強環焊接剛接節點CGJ對比，對外加強環螺栓連接節點的連接特性按表7進行細化分類，結果表明算例節點G2-4和G2-7能達到剛接節點的效果。

5 結論

本文建立了圓鋼管混凝土柱一鋼梁外加強環螺栓連接節點的數值模型，并與已有試驗結果進行對比，驗證了數值模型的有效性。為進一步提升該類節點的受力性能，通過數值模型的參數分析，詳細研究了半剛性節點的細化分類，可得出以下結論：

（1）數值分析得到的單調荷載作用下圓鋼管混凝土柱一鋼梁外加強環螺栓連接節點的彎矩一位移單調曲線、破壞形態與試驗結果吻合良好，數值模型可較準確模擬該類型節點的受力性能。

（2）采用有限元模型對節點的構造參數進行分析，結果表明設置加勁肋和合理匹配螺栓的排數能有效限制環板和翼緣相對滑移，也能明顯提高節點的剛度和承載力。

（3）加強環上采用4排螺栓并加設腹板加勁肋和環板加勁肋的鋼管混凝土柱一鋼梁外加強環螺栓連接節點可達到加強環全焊剛接節點的效果。

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