裝配式鋼混梁-柱螺栓連接節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能研究

吳東平，周心茹

(武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430070)

梁柱節(jié)點(diǎn)是一個(gè)工程中整個(gè)結(jié)構(gòu)受力的關(guān)鍵部位和核心，保證節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度極為重要。目前大部分鋼筋混凝土建筑采用節(jié)點(diǎn)部分現(xiàn)澆的方式，但混凝土構(gòu)件在進(jìn)行現(xiàn)場拼裝時(shí)，存在現(xiàn)場支模耗時(shí)、耗力、不經(jīng)濟(jì)等各種問題。裝配式混凝土節(jié)點(diǎn)對于建筑工業(yè)化進(jìn)程發(fā)展具有重要意義，相比現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)來說，可以保證工程質(zhì)量，加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)承載力，降低人力成本，節(jié)能環(huán)保[1-3]。鋼結(jié)構(gòu)本身就是一種裝配式結(jié)構(gòu)，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、韌性好、制造方便等特點(diǎn)，相對于混凝土結(jié)構(gòu)來說有更多優(yōu)點(diǎn)。目前我國正在大力提倡發(fā)展裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系建筑，所以裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系梁柱節(jié)點(diǎn)的研究也十分有意義[4-5]。

國內(nèi)外已有許多科研人員對裝配式連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了相關(guān)研究。常雪等[6]通過ABAQUS軟件模擬了一種新型梁柱節(jié)點(diǎn)，這種節(jié)點(diǎn)與傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)有所不同，并利用軟件證明新型梁柱節(jié)點(diǎn)承載能力更高。曹永紅等[7]利用有限元軟件對于一種全預(yù)制梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值模擬，此節(jié)點(diǎn)屬于混凝土框架結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)軸壓比不變，新型節(jié)點(diǎn)的承載力和延性更高。蘆靜夫等[8]利用ABAQUS有限元軟件模擬一種裝配式鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)，結(jié)果表明，新型梁柱節(jié)點(diǎn)相比于傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)來說受力性能要更加優(yōu)越。程東輝等[9]在試驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過ABAQUS有限元軟件對改進(jìn)后的17根裝配式混凝土鋼筋套筒灌漿連接柱在軸心壓力下的力學(xué)性能進(jìn)行分析，取得了較好的模擬結(jié)果。崔春義[10]用ABAQUS軟件建立一種裝配式梁柱節(jié)點(diǎn)模型，柱采用方鋼管混凝土柱，梁采用鋼梁，通過研究發(fā)現(xiàn)最直接影響節(jié)點(diǎn)滯回性能的因素是軸壓比和鋼管壁厚。張晨堂[11]運(yùn)用ABAQUS有限元軟件建立鋼結(jié)構(gòu)灌漿錨固節(jié)點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)這種連接方式可以減小鋼結(jié)構(gòu)加工制作、安裝運(yùn)輸過程中的誤差，提高安裝效率。

本文提出一種裝配式鋼混梁-柱螺栓連接節(jié)點(diǎn)，以同課題組成員已做的梁柱單調(diào)加載試驗(yàn)為基礎(chǔ)，運(yùn)用ABAQUS軟件建立模型，并將模擬得到的特征點(diǎn)值與試驗(yàn)特征值作比較，從而驗(yàn)證模擬的合理性與可靠性，最后改變不同參數(shù)來分析各種因素對節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

本文設(shè)計(jì)的裝配式鋼混梁-柱螺栓連接節(jié)點(diǎn)見圖1?；炷林孛娉叽绮捎?00 mm×400 mm，混凝土梁截面尺寸取200 mm×400 mm，混凝土強(qiáng)度為C30，在柱身預(yù)留孔洞，孔洞內(nèi)設(shè)置鋼管，在端板與混凝土中間設(shè)置一墊板，避免螺栓和混凝土表面接觸造成混凝土破壞，采用10.9級摩擦型高強(qiáng)螺栓端板連接，端板與混凝土之間設(shè)置直徑為6 mm的抗剪釘，梁內(nèi)鋼筋與套筒內(nèi)側(cè)面焊接，鋼筋采用HRB400級，端板厚度為20 mm，螺栓直徑為20 mm，套筒厚度20 mm，加勁肋厚度為14 mm[12-14]。

試驗(yàn)現(xiàn)場與加載裝置見圖2，其他材料力學(xué)性能實(shí)測值見表1。將混凝土柱柱底固定，在柱頂端施加豎直向下的軸壓力，混凝土梁端采用位移控制的加載制度進(jìn)行單向加載，以每次增加4 mm的位移記錄所承受的承載力，以此來研究節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能。

表1 材料力學(xué)性能實(shí)測值 N/mm2

2 有限元模型建立

2.1 單元選取與材料模型

本次模擬的軟件是ABAQUS，混凝土梁、柱以及螺栓，采用C3D8R單元模擬，用T3D2桁架單元模擬鋼筋籠，模型中，混凝土本構(gòu)模型經(jīng)過綜合考量，決定使用GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[15]中的混凝土單軸受拉受壓應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，鋼筋采用彈塑性模型,鋼板以及螺栓簡化為兩折線模型，本構(gòu)關(guān)系見圖3。

2.2 網(wǎng)格劃分與加載制度

為了保證網(wǎng)格劃分的準(zhǔn)確性，經(jīng)多次嘗試，節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格劃分見圖4。

用“綁定”關(guān)系來模擬端板與套筒、鋼筋與套筒等之間的焊接狀態(tài)，用“嵌入”關(guān)系來仿真混凝土與鋼筋之間的相互接觸狀態(tài)，設(shè)置螺栓和端板、端板和柱以及鋼管群和螺栓為面與面接觸，并將它們兩兩之間切向方向設(shè)置為摩擦接觸，另一個(gè)法向方向設(shè)置為硬接觸。

邊界條件設(shè)置情況見圖4。將柱頂耦合于參考點(diǎn)RP1，柱底耦合于參考點(diǎn)RP2,梁側(cè)面耦合于參考點(diǎn)RP3,將柱底完全固定，柱頂設(shè)置鉸接，在梁端加載的位置施加側(cè)向約束。

3 有限元模擬分析

3.1 應(yīng)力分布云圖分析

在有限元分析中，可以得到梁、柱、鋼筋、端板以及螺栓的應(yīng)力分布見圖5。從圖5中可以看出，在加載初期，節(jié)點(diǎn)未發(fā)生明顯的現(xiàn)象，隨著荷載增加，受壓區(qū)混凝土開始產(chǎn)生裂痕，隨后鋼筋開始屈服，此時(shí)端板最上面一排的孔洞處也出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，當(dāng)荷載繼續(xù)增加時(shí)，上部受拉鋼筋開始彎曲，梁上部靠近套筒處出現(xiàn)明顯的塑性鉸，最上排螺栓承受較大應(yīng)力，當(dāng)荷載增大到極限荷載136.52 kN時(shí)，上部受拉鋼筋出現(xiàn)明顯彎曲變形，端板屈服，受壓區(qū)混凝土被壓碎。

節(jié)點(diǎn)的破壞模式總結(jié)為梁上部受拉縱筋先受力達(dá)到屈服強(qiáng)度，混凝土梁與套筒接觸附近區(qū)域的混凝土達(dá)到受壓極限，混凝土被壓碎，而端板連接的鋼節(jié)點(diǎn)部分變形很小，塑性鉸外移。

3.2 試驗(yàn)與有限元結(jié)果對比分析

有限元軟件分析的荷載-位移曲線見圖6。從圖6可以看到，曲線從開始到結(jié)束一共經(jīng)歷了三個(gè)階段，分別是幾乎線性增長的彈性階段，非線性上升的彈塑性階段以及不斷下降至平緩的破壞階段。在第一階段，荷載增加速度比其他階段快，位移增量很小，隨著位移的增大，荷載達(dá)到屈服荷載A點(diǎn)。位移繼續(xù)增加，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入增速變緩的第二階段，此階段曲線不再是線性飛速增長狀態(tài)，形勢逐漸趨于平緩，當(dāng)達(dá)到極限荷載B點(diǎn)時(shí)，曲線達(dá)到最高點(diǎn)，隨后來到第三階段，曲線形勢一直下降直至趨于平緩，承載能力不斷降低，達(dá)到破壞荷載C點(diǎn)后節(jié)點(diǎn)破壞。

梁柱節(jié)點(diǎn)有限元分析與試驗(yàn)曲線對比圖見圖7，特征點(diǎn)數(shù)據(jù)比較見表2。通過觀察，發(fā)現(xiàn)模擬所得的荷載-位移曲線形狀與試驗(yàn)結(jié)果相符，模擬得到的特征點(diǎn)值與試驗(yàn)特征值作比較，誤差小于10%，足以證明該模型有效。模擬值與試驗(yàn)值存在誤差的主要原因有：1)有限元模擬不能非常準(zhǔn)確的仿真出來鋼筋與混凝土二者之間的相互黏結(jié)狀態(tài)；2)所使用的本構(gòu)模型比較簡單，較為理想，比如鋼筋采用彈塑性模型就未考慮鋼筋達(dá)到屈服點(diǎn)后的強(qiáng)化階段；3)模型的混凝土塑性損傷與試驗(yàn)的混凝土損傷情況不完全相同，模型采用的混凝土損傷較為規(guī)律，試驗(yàn)會由于受力不均或試驗(yàn)條件等原因影響承載力。

表2 試驗(yàn)和模擬特征點(diǎn)值

節(jié)點(diǎn)有限元分析與試驗(yàn)破壞狀態(tài)對比見圖8，觀察得到，有限元模擬和試驗(yàn)梁的破壞狀態(tài)相同，破壞時(shí)混凝土梁與套筒接觸附近區(qū)域的混凝土被壓碎，節(jié)點(diǎn)核心部分變形很小，塑性鉸外移，符合“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

總體來說，采用以上的有限元建立模型有一定的準(zhǔn)確性與可參考性，能真實(shí)反映此節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能。

4 節(jié)點(diǎn)參數(shù)化分析

4.1 螺栓直徑

裝配式鋼混梁-柱螺栓連接節(jié)點(diǎn)通過高強(qiáng)螺栓將混凝土梁與柱連接，但是螺栓直徑的變化對節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能是否有影響還需要進(jìn)一步研究，因此，在保持其他參數(shù)不變的情況下，改變螺栓直徑，得到荷載-位移曲線對比見圖9，從圖9中看出，各個(gè)節(jié)點(diǎn)荷載-位移曲線走勢大致相同，從表3中看出，當(dāng)螺栓直徑為18 mm時(shí)，初始剛度最小，極限承載力最低，力學(xué)性能同時(shí)也是最低的，開始增加螺栓直徑后，增加2 mm～20 mm，節(jié)點(diǎn)的承載力和初始剛度各自提高了4.89%和7.1%，再增加2 mm～22 mm，極限承載力只提高了3.67%，初始剛度增加了4.6%，這表明在本文設(shè)計(jì)的梁柱節(jié)點(diǎn)中改變直徑對極限承載能力影響不大，而對于抵抗轉(zhuǎn)動(dòng)能力有所提高，因此當(dāng)取到合適的螺栓直徑時(shí)，再改變螺栓直徑意義不大，還會浪費(fèi)材料，故在實(shí)際工程可以直接取螺栓直徑為18 mm達(dá)到經(jīng)濟(jì)安全，節(jié)省材料的效果。

表3 荷載-位移曲線特征點(diǎn)值

4.2 端板厚度

除了螺栓外，端板厚度作為核心區(qū)的另一種材料，其改變也可能會影響節(jié)點(diǎn)受力性能，因此，保證其他因素不變，改變端板厚度，得到荷載-位移曲線見圖10，三條曲線幾乎重合，極限承載力變化不大，從表3中看出，端板厚度從最初的18 mm開始，緩慢增長2 mm達(dá)到20 mm厚，承載力和初始剛度分別提升了0.7%和4%，兩條曲線幾乎重合，端板再增加2 mm～22 mm，承載力和初始剛度提升可以說是微不足道，僅僅為0.2%，整體來看，端板厚度的增大對于節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能幾乎沒有改變，原因是端板還沒有達(dá)到屈服強(qiáng)度的前提下，其他材料首先達(dá)到屈服，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)強(qiáng)度很大，所以端板作為核心區(qū)材料之一，厚度增加對節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能幾乎沒有變化。

4.3 軸壓比

鋼筋混凝土柱軸壓比可以使柱有一定的延性，避免脆性破壞。因此，在其他參數(shù)不變的情況下，改變軸壓比，得到荷載-位移曲線對比見圖11，從圖11中看出，三條曲線形狀大體相同，軸壓比越大，節(jié)點(diǎn)承載能力越低，從表3中看出，軸壓比從0.25提升到0.4，極限承載力降低了11.93%，初始剛度降低了7.7%，而軸壓比從0.4提升到0.6，極限承載力降低了12%，初始轉(zhuǎn)動(dòng)降低了12.3%，相對來說影響還是很大的，隨著軸壓比的增大，極限荷載明顯降低，節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能大幅下降。這是因?yàn)樵趶椥噪A段軸壓比的增大對于結(jié)構(gòu)的影響不大，在彈塑性階段對于結(jié)構(gòu)的影響更明顯。

4.4 配筋率

鋼筋作為在節(jié)點(diǎn)破壞模式下最先屈服且主要承受拉力的構(gòu)件來說，配筋率的改變對于節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能影響的研究不可忽視，因此，其他參數(shù)不變，在適筋的范圍內(nèi)改變配筋率，得到荷載-位移曲線對比見圖12，從圖12可以看出，三條曲線形狀相同，配筋率增加的越多，極限承載力增大的越快，從表3中看出，當(dāng)節(jié)點(diǎn)的配筋率從0.84%增加到1.06%時(shí)，其極限承載能力提高了17.48%，初始轉(zhuǎn)動(dòng)能力增加了24.4%，配筋率從1.06%增加到1.31%時(shí)，其極限承載能力增加了12.77%，初始轉(zhuǎn)動(dòng)能力增加了24.59%。由此可見，配筋率的改變能直接影響節(jié)點(diǎn)的承載力，也會相應(yīng)提高節(jié)點(diǎn)抵抗轉(zhuǎn)動(dòng)的能力，在實(shí)際工程中，適當(dāng)提高配筋率可以提升節(jié)點(diǎn)的承載能力，可以將配筋率穩(wěn)定在1.06%左右，這樣既可達(dá)到安全要求，也可避免浪費(fèi)。

5 結(jié)論

1)本文提出一種新型裝配式鋼混梁-柱螺栓連接節(jié)點(diǎn)，利用ABAQUS軟件建立模型，并將模擬得到的特征點(diǎn)值與試驗(yàn)特征值作比較，兩者誤差不大于10%，證明模擬結(jié)果合理，為研究節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能影響因素提供了參考依據(jù)。

2)通過ABAQUS有限元分析節(jié)點(diǎn)在單調(diào)荷載作用下的破壞模式，發(fā)現(xiàn)破壞時(shí)受拉側(cè)鋼筋先屈服，混凝土被壓碎，梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的變形不大，塑性鉸出現(xiàn)端板外套筒附近處，符合“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，弱構(gòu)件”的原則，證明該節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)有效，且安裝方便，能運(yùn)用于實(shí)際工程中。

3)通過改變四個(gè)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)螺栓直徑與端板厚度超過18 mm后，其改變對于節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能影響較??；單調(diào)加載下，軸壓比的存在不利于結(jié)構(gòu)變形，軸壓比越高，極限承載力和初始轉(zhuǎn)動(dòng)能力越低，軸壓比取0.4較為適宜；提高配筋率可以有效增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的極限承載力和初始轉(zhuǎn)動(dòng)能力，配筋率為1.06%性價(jià)比最高，其極限承載能力和初始轉(zhuǎn)動(dòng)能力分別增加了17.48%和24.4%，最直接影響節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的因素是軸壓比和配筋率，因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)引起重視。