鋼管混凝土梁柱外加強環板節點在裝配式住宅中的應用研究

未曉麗 WEI Xiao-li；張永玲 ZHANG Yong-ling；喬茂珂 QIAO Mao-ke；李濤 LI Tao

（①河西學院土木工程學院，張掖 734000；②張掖市第一建筑工程有限責任公司，張掖 734000）

0 引言

近年來，隨著社會的進步、技術的不斷創新、可持續發展觀念的不斷深入及勞動力成本的急劇提高，住宅工業化的需求迫在眉睫。自2016年9月國務院辦公廳發布《關于大力發展裝配式建筑的指導意見》[1]后，國家及地方先后出臺了一系列有關發展裝配式建筑的政策綱要，為裝配式建筑發展提供指導意見。2021年10月，中共中央、國務院印發了《關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》[2]，其中明確指出：在城鄉規劃建設管理各環節全面落實綠色低碳要求。這為裝配式建筑在住宅中的發展明確了方向，裝配式建筑成為未來住宅建筑發展的必由之路。

裝配式鋼與混凝土組合結構體系相對于發展比較成熟的裝配式混凝土結構體系和裝配式鋼結構體系來說，是一種新型結構體系，具有承載能力高、塑性和韌性好、制作和施工方便、耐火性能好及經濟效益好等優點[3]。

1 新型裝配式鋼管混凝土梁柱節點構造

傳統鋼管混凝土組合框架結構的梁柱節點一般為整體式，節點構造如圖1所示：鋼梁及外加強環板與鋼管柱焊接、鋼梁之間焊接，導致現場焊接作業量較大，核心混凝土的澆筑也在現場完成，施工周期相對長、生產效率相對較低。

圖1 整體式鋼管混凝土梁柱外加強環板節點構造圖

為了提高現場裝配率，根據《鋼管混凝土結構技術規范》（GB50936-2014）[4]，設計了一種十字形方鋼管混凝土柱-鋼梁外加強環板節點，節點構造如圖2所示：鋼管混凝土柱與鋼梁及加強環板在工廠連接為整體，形成鋼管混凝土柱鋼梁節點域，現場只進行節點域梁端與鋼梁焊接連接，即圖2（b）和（c）所示部分的連接，較大程度地減少了現場焊接作業，縮短相應施工周期。為了驗證提出的新型節點在裝配式住宅中應用的可行性，建立了該類節點的有限元數值計算模型，對節點在柱頂豎向恒載和水平位移共同作用工況下的力學響應進行模擬。

圖2 新型鋼管混凝土梁柱外加強環板節點構造圖

2 新型裝配式鋼管混凝土梁柱節點有限元模型

與傳統的外加強環板節點相比，新型節點裝配過程中一個重要的參數就是鋼管混凝柱鋼梁節點域梁端延伸長度a，如圖2（b）中所示。為分析具有不同延伸長度的節點對梁柱力學性能的影響，本文應用ABAQUS有限元軟件建立包含不同延伸長度節點的梁柱模型，模擬柱頂恒載和水平位移共同作用工況下梁柱力學響應。本文分別取延伸長度a等于80mm（1.1bf），100mm（1.3bf），120mm（1.6bf），200mm（2.7bf），280mm（3.7bf）（其中bf為梁寬），建立JD-S1至JD-S5 5個節點有限元模型（節點其他幾何參數不變），節點詳細尺寸信息如表1所示。

表1 JD-S系列節點尺寸基本信息

2.1 模型的建立

在建立的有限元模型中，鋼管、鋼梁、混凝土、加強環板均采用實體建模，鋼管及鋼梁材性選用韓林海（2007）[5]中二次塑流模型，強度選用Q345低碳合金鋼。核心混凝土強度等級選用C40，本構模型選用ABAQUS中自帶的混凝土塑性損傷模型。如圖2（a）所示，鋼管混凝土柱鋼梁節點域與鋼梁連接采用現場焊接的連接方式，需要預留10mm寬的焊縫。焊接時因為試件受熱不均導致連接部位存在一定的殘余應力，因此本文考慮了焊接的殘余應力對結果的影響。在ABAQUS中進行焊縫模擬時，需要定義對流和熱輻射兩個邊界條件。由于在焊接過程中，受焊縫處熱源影響，整個鋼材表面與周圍環境進行傳熱，所以選取鋼管及鋼梁的所有外表面為對流熱表面，具體熱物理參數見表2。

表2 Q345鋼主要熱物理參數

由于本文重點不在于分析由于焊接造成的鋼材殘余應力的分布規律，故對熱荷載的施加進行簡化模擬，熱流密度按照平均熱流密度作用于焊縫處。熱源模型采用高斯分布模型，熱源以熱流密度的形式施加在焊縫表面。熱流密度參考高磊[6]通過下式計算：

式中：Q為輸入熱量；η為效率；U為焊接電壓；I為焊接電流；R為電弧有效加熱半徑；r為計算位置到高斯熱源模型中心的距離。

2.2 模型驗證

為了驗證模擬方法的正確性，本文建立了王文達[7]中鋼管混凝土柱-鋼梁節點有限元模型，模擬了其在柱頂豎向恒載及水平位移作用下力學行為。模擬得到的結果與王文達[7]中實驗結果吻合較好，如圖3所示。證明本文采取的模擬方法是正確有效的。

圖3 節點水平荷載-位移骨架曲線（王文達[7]）

2.3 新型節點單調加載分析

2.3.1 梁柱邊界條件及加載方式

按照上述方法建立梁柱模型，邊界條件如圖4所示：柱底約束三個方向自由度，柱頂約束一個方向自由度，梁兩端均約束兩個方向自由度。柱頂端建立參考點，施加一豎向恒定軸力F=440kN，同時柱頂施加一水平位移u=100mm。

圖4 新型鋼管混凝土梁柱節點邊界條件示意圖

2.3.2 結果分析

按照上述方法加載完成后提取節點柱頂荷載-位移曲線，結果如圖5所示。由圖5可看出，JD-S1～JD-S5柱頂荷載-位移曲線的彈性段基本重合，但隨著延伸長度的增大，極限承載力逐漸增大；隨著延伸長度的增大，曲線下降的幅度也有所不同，當延伸長度取280mm時，下降幅度明顯，但總體變化幅度不大。分析其原因是由于節點域梁-梁焊接產生的殘余應力對節點承載力的影響，焊縫越靠近節點域，節點承載力降低的越明顯；而焊縫越遠離節點域，節點的位移延性則越小。

圖5 JD-S系列節點單調加載P-Δ曲線

參考王文達[7]和韓林海[5]對鋼管混凝土節點中柱頂極限荷載（Pu=0.85Pmax）、柱頂極限位移（Pu對應位移）、柱頂屈服荷載（Py=0.7Pmax）和屈服位移（Py對應位移）的定義，將模擬得到的結果進行對比，如表3所示。結果表明：隨著節點域延伸長度的增大，節點柱頂的極限荷載逐漸增加；隨著節點域延伸長度的增大，節點的屈服位移Δy逐漸減小，說明其屈服狀態提前，同時破壞位移Δu相應減小，反映了位移延性隨節點域延伸長度增大而降低的趨勢。

表3 JD-S系列節點P-Δ曲線

3 結論

基于以上分析和研究，可得到以下結論：

①提出的新型節點裝配方式采用節點域梁-梁焊接，通過數值模擬可知，焊接殘余應力會影響節點的極限承載力及位移延性，但影響幅度不大。

②隨著節點域延伸長度的增大，節點的極限承載力提高，但位移延性呈現逐漸降低的趨勢，雖變化幅度不大，但考慮到節點域延伸長度過長不便于運輸，建議延伸長度a不大于3bf。