圓鋼管柱外包鋼管混凝土加固法應用分析★

郝 冬，張 杰，許宸嘉，焦晉峰，雷宏剛

（1.太原植物園，山西 太原 030025； 2.太原理工大學土木工程學院，山西 太原 030024）

近年來，大跨空間鋼結構廣泛應用于航站樓、高鐵站及展覽館等重大公共建筑當中。圓鋼管焊接相貫節(jié)點因其構造簡單、施工方便等優(yōu)點成為該類建筑中應用最廣泛的節(jié)點形式［1］。目前，國內外學者針對相貫節(jié)點的極限承載力研究取得了一定的成果：焦晉峰［2-4］等以太原南站相貫節(jié)點為研究對象進行了靜力足尺試驗與數(shù)值模擬分析，研究了該節(jié)點的極限承載力與應力集中效應。張愛林等［5-6］以北京新機場航站樓典型復雜鋼管相貫節(jié)點為研究對象進行了試驗與數(shù)值模擬，研究了不同加勁肋設置、鋼材強度和加載方式對節(jié)點受力性能的影響。

本文以太原市植物園鋼結構懸挑根部相貫節(jié)點為研究對象，針對圓鋼管柱的相貫節(jié)點域承載能力不足問題，提出一種外包鋼管混凝土加固法，采用有限元模擬方法探究空心率及混凝土強度對節(jié)點極限承載力的影響。

1 相貫節(jié)點構造

文獻［7］對太原植物園主入口（如圖1所示）進行了結構的整體分析，確定第二榀主桁架的根部節(jié)點應力較大且受力復雜，故本文選取該節(jié)點（以Joint 2表示）進行研究。Joint 2由9根圓鋼管相貫而成，節(jié)點區(qū)域構件數(shù)量多且截面尺寸較大，如圖2所示。使用G1～G9分別對節(jié)點的9根桿件進行編號，截面規(guī)格列于表1，其中G1為節(jié)點柱構件，以桿件軸線交匯點劃分為G1A和G1B上下兩段。通過表1可知，在使用圓管截面條件下，由于結構的懸挑形式使柱構件承受較大壓力，導致純鋼管柱的承載力不足。故本文提出一種外包鋼管混凝土加固法，即將兩層鋼管同心放置，于外層鋼管壁開孔，在鋼管之間灌注混凝土。當鋼管混凝土構件長細比或荷載偏心率較大時，其承載力很大程度取決于抗彎剛度，而靠近截面形心部位的混凝土對構件的抗彎剛度貢獻較低，故外包鋼管混凝土構件具有更大的抗彎承載力和更低的構件自重［8］。

圖1 主入口鋼結構

圖2 節(jié)點構造

表1 桿件尺寸表

2 有限元模型

采用ABAQUS對節(jié)點進行建模。鋼材為Q345C，彈性模量E=206 GPa，泊松比μ=0.30，材料本構關系采用三折線彈塑性模型，如圖3所示。混凝土彈性模量泊松比μc=0.2，本構關系采用ABAQUS中提供的塑性損傷模型［9］，混凝土夾層與鋼管間摩擦系數(shù)為0.6。模型采用殼單元進行建模，選取四節(jié)點減縮積分S4R單元對模型進行網格劃分，對G1B端設置固結約束，其余支管均為自由端，對柱構件G1采用外包鋼管混凝土加固措施進行模擬，探究對節(jié)點承載能力的影響。由結構整體模型計算所得的各桿件受力結果可知，各桿端的彎矩值與剪力值相對較小，故對節(jié)點加載時主要考慮桿端軸向力。有限元模型及桿件編號如圖4所示。為避免加載點處出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，于各桿端加載部位設置耦合點，并通過對該控制點施加垂直桿件向內的軸向壓力實現(xiàn)加載。在節(jié)點各桿端施加3倍最不利荷載工況下的軸力進行加載開展有限元分析，各桿件軸力加載值見表2。研究不同混凝土強度與鋼管空心率對節(jié)點極限承載力的影響，其中外管直徑為D，壁厚為T，內管直徑為d，壁厚為t，如圖5所示。

圖3 鋼材本構模型

圖4 節(jié)點模型

圖5 加固示意圖

表2 桿件軸力加載

3 失效準則與計算結果

相貫節(jié)點的極限承載力可定義為：各個支管共同承受軸向力時，使節(jié)點相貫區(qū)域主管管壁發(fā)生過度塑性變形的支管最大軸力。本文采用國際上通用的荷載-位移曲線法確定節(jié)點的極限承載力，其中荷載為施加在支管端部的軸力，變形指主、支管交匯點在支管軸力方向上的位移，荷載-位移曲線可分兩種類型，分別對應極限強度準則和極限變形準則兩種判定依據。用d表示主管外徑，3%d定義為節(jié)點的極限變形，當曲線在極限變形之前出現(xiàn)極大值點時，采用極限強度失效準則，該極值為節(jié)點極限承載力；而當曲線在極限變形之前未出現(xiàn)極大值點時，采用極限變形失效準則，此時節(jié)點極限變形對應的荷載為節(jié)點極限承載力，如圖6所示。Joint 2節(jié)點主管外徑813 mm，對應的極限變形為24.39 mm。

圖6 荷載-位移曲線判定準則

如圖7所示分別為Joint 2相貫節(jié)點的屈服區(qū)域應力云圖與局部變形云圖，由有限元分析結果可知，在Joint 2相貫節(jié)點中，相貫區(qū)域局部出現(xiàn)明顯的鼓曲及凹陷變形，主、支管相貫線處均出現(xiàn)不同程度的貫通塑性帶，且主管固定端G1B與支管G5出現(xiàn)大面積屈服。在加載初期，各支管與主管交匯的相貫線處最先出現(xiàn)塑性，為危險截面，其中各圓鋼管桿件的最不利點為冠點和鞍點，隨著加載過程中不斷地塑性累積形成屈服區(qū)域，率先出現(xiàn)在主管G1、弦桿G2與斜腹桿G9交匯處，故選擇此三根桿件的軸線交匯點為參考點，以G2軸線方向為X方向定義局部坐標系，繪制該參考點在軸線方向的荷載-位移曲線如圖8所示。

圖7 有限元分析結果云圖

圖8 荷載-位移曲線

由圖8所示的Joint 2相貫節(jié)點荷載-位移曲線可知，在加載初期，節(jié)點的桿端位移與荷載呈線性增長，節(jié)點處于彈性階段，當荷載加載至約8 000 kN時節(jié)點發(fā)生屈服進入塑性階段，曲線開始平緩上升，但在極限變形之前并未出現(xiàn)極值點，曲線特征符合極限變形準則。故取位移為3%d（24.39 mm）時對應的荷載值為節(jié)點極限承載力，此時G2桿軸力為13 584.3 kN，為最不利工況的1.16倍。

4 有限元分析結果

4.1 空心率的影響

為探究空心率對節(jié)點極限承載力的影響，在混凝土強度為C40的條件下，通過改變內鋼管直徑d與厚度t設計了六組有限元模型進行分析。文獻［10］研究表明內鋼管徑厚比為外鋼管徑厚比的1.5倍時更有利于提高節(jié)點極限承載力，由主管G1外鋼管D=813，T=40計算可得內鋼管徑厚比為30。有限元模型參數(shù)及極限承載力計算結果見表3，節(jié)點荷載-位移曲線如圖9所示。

表3 不同空心率下節(jié)點極限承載力對比

圖9 不同空心率荷載-位移曲線

由有限元分析結果可知，通過外包鋼管混凝土加固措施對桿件進行處理，節(jié)點極限承載力得到了不同程度的提升，總體上呈現(xiàn)節(jié)點極限承載力隨空心率的減小而增加的趨勢，但隨著鋼管空心率的減小，對節(jié)點極限承載力的提升幅度越來越小，當空心率由65.6%下降至53.3%時，節(jié)點承載力增加了6.4%，而空心率由53.3%下降至34.8%時，節(jié)點承載力提升幅度僅為1.7%。與空心圓鋼管構件相比，加固后的節(jié)點極限承載力極值點出現(xiàn)在極限變形點之前，說明該措施在提高承載力的同時降低了節(jié)點的塑性變形能力，因此在設計時應合理控制桿件的空心率。

4.2 混凝土強度的影響

為探究外包鋼管混凝土的混凝土強度對節(jié)點極限承載力的影響，選取對節(jié)點承載力提升明顯的D533-T18模型，對使用C30，C40，C50，C60，C70，C80六種不同強度混凝土灌注的情況進行有限元分析，有限元模型的極限承載力計算結果列于表4，節(jié)點荷載-位移曲線如圖10所示。由有限元分析結果可知，不同強度的混凝土對節(jié)點的極限承載力的影響不同，較高強度等級的混凝土對應的節(jié)點極限承載力更高，從C30增加到C50時，提高混凝土強度對節(jié)點承載力的影響幅度較大，提高幅度約為2.3%；從C50增加到C80時，影響幅度增加較小，約為1.3%，提升效果呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。強度等級越高的混凝土出現(xiàn)承載力極值點所對應的位移越小，當混凝土強度超過C50時節(jié)點變形能力下降明顯。

表4 不同混凝土強度下節(jié)點極限承載力對比

圖10 不同混凝土強度荷載-位移曲線

5 結語

本文通過對太原植物園關鍵相貫節(jié)點柱構件采用外包鋼管混凝土加固方法進行有限元分析，結果表明該加固措施可以有效提高相貫節(jié)點的極限承載力。其中不同混凝土強度對極限承載力影響較小，不同空心率對節(jié)點承載力的影響較大，加固措施在提高節(jié)點極限承載力的同時會降低節(jié)點的塑性變形能力。混凝土強度和鋼管空心率的選取應由節(jié)點承載力實際影響效果與經濟指標共同決定，當混凝土強度為C50，空心率為53.3%時，可保證節(jié)點具備良好塑性變形能力的同時大幅提升節(jié)點極限承載力，達到有效減少結構用鋼量的目的。