新型鋼管混凝土節點剛性的規律研究

苗 青

(安徽清石建筑設計研究院有限責任公司,安徽 合肥 230041)

1 概述

鋼管混凝土是將混凝土填入薄壁圓形鋼管內而形成的組合結構，鋼管內的混凝土具有三向受壓混凝土的特點，在混凝土承受軸向壓力下，同時還有側壓力，混凝土裂縫的發展受到鋼管的限制。鋼管壁借助內填混凝土的支撐作用，增強鋼管壁的幾何穩定性，改變空鋼管的失穩模態，從而提高其承載能力。兩種材料取長補短，充分發揮了混凝土抗壓性能和鋼材的抗拉性能，達到優化組合的作用效果。

由于鋼管混凝土的結構優點，在工程中得到了廣泛的應用，鋼管混凝土的節點的形式也呈現多元化，但在研究和應用中還存在一系列的問題，歸結為以下幾點：

1)節點不宜進行標準化、裝配化。在現場施工中為了確保節點的剛性，在現場需要進行大量的焊接工作，對工人的技術水平要求較高，且節點的力學性能不能得到有效的保證。2)節點研究缺乏系統性和連貫性，節點的設計還缺乏一整套系統的理論研究做支撐。目前鋼管混凝土節點的研究已經取得了不少的成果，但研究的節點形式主要是針對某一具體工程而言的，缺乏通用性，不利于其應用推廣。國內如汕頭大學、哈爾濱工業大學等對鋼管混凝土的研究較多，進行了大量的實驗，但研究對象普遍集中在常用的加強環梁節點，對其他節點形式研究較少。3)對整體鋼管混凝土結構的動力學性能研究較少。從現有的研究資料來看，節點的靜力性能研究得較多，動力試驗研究較少；節點研究多，整體結構研究少。主要是因為動力實驗對設備要求較高，且實驗的過程比較復雜；相對于單個的節點，結構整體實驗研究比較困難，受到場地和設備的影響。

2 新型鋼管混凝土節點樣式介紹

文獻[1]提出了一種新型的鋼管混凝土節點形式，型鋼直接穿過鋼管壁，連接處在工廠焊接完成，如圖1所示。

該節點采用型鋼穿過鋼管，在節點核心區域形成穿心牛腿式節點，穿心牛腿能有效地將力傳遞到核心混凝土。在鋼筋混凝土梁的端頭預先埋置與穿心構件相同尺寸的型鋼，型鋼的部分伸出梁外，梁的縱筋焊接在預埋型鋼的翼緣上，由此可以完成混凝土梁的工廠預制，實現了節點制作的標準化和裝配化。

但是這種節點在實際應用中同樣存在缺點。對于此新型節點，由于穿心型鋼會占用鋼管內空間，給鋼管內混凝土的澆筑造成了困難。在節點的制作過程中，在框架的中節點，梁柱交匯的地方，由于鋼管直徑限制，給焊接工作帶來了一定的困難，有鑒于此，對該種節點進行形式的改進，切掉鋼管內型鋼的翼緣，如圖2所示。切除了鋼管內型鋼的翼緣后，在進行節點的制作時，在雙梁交接的地方，焊接時，只需焊接腹板處，相對于原有節點，焊接的難度降低，由于切除了型鋼的翼緣，在進行鋼管內混凝土澆筑時，有利于進行混凝土的振搗，性能更好[2-4]。

文獻[5]分別建立原有節點樣式和改進節點樣式的有限元模型，并根據文獻[1]的材料常數測定數據，確定有限元模型的相關材料特性。分析兩種模型的柱頂承載力，梁端承載力和節點抗震性能，對比計算分析數據可知改進后的節點相較于原有節點的柱頂極限荷載變化不大，在達到極限荷載之后下降段平緩，延性較好，兩節點的滯回曲線都很飽滿，具有良好的耗能能力，改進后的節點結構性能并沒有明顯的下降，說明節點改進具有可行性。

3 節點域參數對節點剛性的影響規律研究

節點的樣式是各不相同的，因此當節點的尺寸改變時，節點的剛度如何變化就是一個值得探討的問題。對于這種新型的鋼管混凝土節點，在不同的結構中與該結構梁柱剛度具有不同的比值，則其在不同的結構中就體現為不同的剛性，在考察節點的剛性時要同時考慮鋼管混凝土柱的剛度、型鋼的剛度及鋼筋混凝土梁的剛度。由于不同的鋼材其彈性模量相差很小，因而不作考慮;在進行非線性分析時，混凝土材料的真實應力-應變曲線要通過實驗獲得，它的對錯與否還無法下定論，因而在下面的分析中也不把它作為考慮的參數。在下面的分析中主要是從節點的細部幾何尺寸方面進行分析，其主要影響因素有：1)鋼管混凝土柱的半徑；2)鋼管壁厚度；3)腹板厚度；4)型鋼高度；5)鋼筋混凝土梁高度；6)鋼筋直徑。下面以第三節中的節點的實體模型做基礎，施加梁端單調荷載，得到節點的彎矩-轉角曲線，然后通過改變節點的細部尺寸做一系列的有限元計算，分析節點域各參數對梁柱連接性能的影響。

3.1 節點域彎矩-轉角公式擬合

建立新型鋼管混凝土節點的三維模型，定義的靈敏度分析中的輸入參數，即上述影響節點剛性的六個幾何參數，如表1所示，荷載的初始值為30%左右的極限荷載，輸出參數取梁柱相對轉角。

表1 輸入參數 mm

對計算結果提取梁柱的最大轉角得到樣本點的組成散點圖，如圖3所示為腹板厚度與梁柱相對轉角的散點圖。

運用最小二乘法原理對圖3所示的數據進行擬合，得到一階多項式Y=C0+C1X;C0,C1分別為常數項和一階常數。分別對各變化參數和梁柱的相對轉角圖進行一階多項式擬合，提取一階參數C1，如表2所示，將表2中第一橫欄中各參數與轉角的相關系數值，以荷載和轉角的相關系數值為標準，即以該系數定為1，其余按對其比值，計算后如表2中第二欄，將此欄系數作為各影響參數的冪次系數，得到標準參數K的表達式(1)。

表2 輸入參數與輸出參數相關系數表

K=TC-0.212 17D-0.003 04TW-0.330 43d-0.279 51H-0.052 941B-0.027 79

(1)

其中，TC為鋼管厚度；D為鋼管柱半徑；TW為型鋼腹板厚度；d為鋼筋直徑；H為型鋼高度；B為鋼筋混凝土梁高度。

然后用數學軟件Matlab對得到的M-θ數據進行擬合，得到反映節點M-θ關系的奇次方的多項式：

θ=C1(KM)1+C2(KM)3+C3(KM)5

(2)

其中，M為梁柱連接處的彎矩值；θ為梁柱之間的相對轉角；C1,C2,C3均為曲線擬合常數，C1=2.215×10-2,C2=0.287 97,C3=-3.088 9。

3.2 結果對比

以節點中鋼管壁厚度為例來探討公式的擬合效果，首先由式(1)計算得到各鋼管壁厚度下標準化參數K值，如表3所示。

表3 標準化參數計算表

由式(2)計算得到鋼管壁厚度為6 mm時節點的彎矩-轉角數據表，如表4所示，根據表4得到節點的彎矩-轉角圖，見圖4。

表4 節點轉角擬合數據比較

從表4，圖4中可以看出當節點鋼管壁厚度為6 mm時，在相同彎矩作用下，模型計算得到的轉角和公式計算得到的轉角的最大差值百分數為-5.80%，誤差在可接受的范圍之內，二者的彎矩-轉角圖曲線發展一致，在彈性階段，兩曲線趨于重合，在塑性階段，由公式計算得到的梁柱相對轉角較模型計算得到的轉角要小。節點彎矩-轉角對比圖見圖5～圖8。

從圖5～圖8中可以看出，由公式計算得到的彎矩-轉角圖和模型計算得到的彎矩-轉角圖曲線發展趨勢基本一致，在彈性階段，二者的基本重合，說明公式對彈性階段的彎矩-轉角的變化趨勢擬合較好。在塑性階段，由公式擬合得到的梁柱相對轉角要比模型計算得到的梁柱相對轉角要大，也就是說按照公式計算得到的節點剛度要比模型的實際剛度要小，但差值并不大，在鋼管壁厚度為7 mm時，差值百分數最大，數值為-4.31%，完全在可接受范圍之內，說明在彈塑性階段，用擬合得到的公式計算新型鋼管混凝土節點在彈塑性節點的彎矩-轉角關系，可以得到比較好的結果[6-9]。

4 結論

本文分析了節點域的幾何參數對節點剛性的影響規律，得到的節點的模型。通過與有限元實體模型計算結果對比，得到如下結論：1)彈性階段模型計算的結果和公式計算得到的結果符合較好。2)在塑性階段，擬合公式計算得到轉角要比模型計算的結果要小，即公式計算得到的節點剛度要偏大一點，總體來說擬合公式對節點剛性模擬效果較好，相關成果可供工程設計參考。