王連廣, 蒙玉琪, 王梓晴

(東北大學 資源與土木工程學院, 遼寧 沈陽 110819)

在壓型鋼板混凝土組合板中,壓型鋼板不僅可以用作永久模板和施工平臺,其與混凝土板組合還可充當構(gòu)件中的受拉鋼筋.壓型鋼板混凝土組合板具有減輕自重、節(jié)省材料、縮短工期等優(yōu)點,與鋼梁連接形成水平支撐,對整體結(jié)構(gòu)起到類似加勁肋的作用,能夠提高結(jié)構(gòu)的整體性和抗震性[1-2].Siddh等[3]對壓型鋼板混凝土組合板的跨中撓度和端部滑移進行了試驗研究.He等[4]對不同截面形式的大跨度壓型鋼板混凝土組合板分別進行了推出試驗和承載能力試驗研究.Li等[5]通過試驗研究了大跨度閉口型壓型鋼板輕骨料混凝土組合板的縱剪承載力.Ali等[6]使用ANSYS分別建立了壓型鋼板混凝土組合板模型和素混凝土板模型,并通過計算分析得出了在同等條件下壓型鋼板混凝土組合板比素混凝土板節(jié)省20%混凝土材料的結(jié)論.王承承[7]對壓型鋼板再生細骨料混凝土組合板進行了縱剪承載力試驗研究.國內(nèi)外學者通過試驗或數(shù)值模擬的方法,研究了壓型鋼板混凝土組合板的彎曲性能和剪切性能,并對新型材料組合板的受力性能進行研究.上述研究中的壓型鋼板混凝土組合板大多用現(xiàn)澆工藝制作而成,對裝配式結(jié)構(gòu)中壓型鋼板混凝土組合板連接節(jié)點的受力性能研究尚不充分.

壓型鋼板混凝土組合板在裝配式結(jié)構(gòu)中具有廣泛的應(yīng)用前景.在裝配式結(jié)構(gòu)連接節(jié)點方面,戎賢等[8]提出了一種新型裝配式鋼管混凝土柱和鋼梁連接的栓焊式節(jié)點,并通過試驗研究了其抗震性能.焦圣倫[9]提出了一種新型的異形鋼管混凝土柱-鋼梁連接節(jié)點,并通過數(shù)值模擬和參數(shù)分析的方式對該節(jié)點構(gòu)造進行了優(yōu)化.Subhani等[10]針對壓型鋼板混凝土組合板-鋼梁連接節(jié)點提出了包含CFRP板、鋼板和高強螺栓的混合加固方案,并通過試驗得出了該混合加固方案能夠提高節(jié)點極限承載力的結(jié)論.Katwal等[11]建立了壓型鋼板混凝土組合板-鋼梁連接節(jié)點的有限元模型,并分析了其荷載-變形關(guān)系及抗剪栓釘?shù)募袅?滑移關(guān)系.文獻[12-14]研究了壓型鋼板混凝土組合板-鋼梁連接節(jié)點中抗剪連接件的受力性能.國內(nèi)學者對裝配式結(jié)構(gòu)連接節(jié)點的研究大多集中在梁-柱連接節(jié)點上,對壓型鋼板混凝土組合板-鋼梁連接節(jié)點的研究相對較少.國外雖然已有對壓型鋼板混凝土組合板-鋼梁連接節(jié)點的研究成果,但局限于對其抗剪連接件受力性能的研究,沒有系統(tǒng)地、全面地分析影響節(jié)點承載能力、變形能力的因素.

本文提出一種新型的壓型鋼板混凝土組合板和鋼梁整體預制的法蘭板-螺栓連接節(jié)點,利用ABAQUS有限元軟件分別建立預制節(jié)點模型和現(xiàn)澆節(jié)點模型.通過靜載下的全過程分析,比較兩者的承載和變形能力,并對預制節(jié)點模型進行參數(shù)分析.分析了栓釘數(shù)、組合板的厚度和長度、螺栓數(shù)和法蘭板厚度對預制節(jié)點模型受力性能的影響,從而優(yōu)化預制節(jié)點構(gòu)造.

1 節(jié)點構(gòu)造

按設(shè)計要求預制壓型鋼板混凝土組合板(以下簡稱組合板),將組合板和鋼梁連接成整體,現(xiàn)場施工時再將整體預制組合構(gòu)件通過法蘭板和螺栓連接到一起.提出了組合板和鋼梁整體預制的法蘭板-螺栓連接節(jié)點的3種構(gòu)造形式.

1.1 節(jié)點構(gòu)造形式一

全厚度預制組合板與鋼梁間法蘭板-螺栓連接如圖1所示.當采用全厚度預制組合板時,整體預制組合構(gòu)件形式如圖1a、圖1b所示,其連接節(jié)點構(gòu)造如圖1c、圖1d所示.

圖1 全厚度預制組合板與鋼梁間法蘭板-螺栓連接

1.2 節(jié)點構(gòu)造形式二

端部壓型鋼板外露的預制組合板與鋼梁間法蘭板-螺栓連接,如圖2所示.當預制組合板端部的壓型鋼板外露時,整體預制組合構(gòu)件形式如圖2a所示,其連接節(jié)點構(gòu)造如圖2b所示.

1.3 節(jié)點構(gòu)造形式三

端部半厚度帶孔的預制組合板與鋼梁間法蘭板-螺栓連接,如圖3所示.當預制組合板端部制作成半厚度預留孔的形式時,整體預制組合構(gòu)件形式如圖3a所示,其連接節(jié)點構(gòu)造如圖3b所示.

圖2 端部壓型鋼板外露的預制組合板與鋼梁間法蘭板-螺栓連接

圖3 端部半厚度帶孔的預制組合板與鋼梁間法蘭板-螺栓連接

2 數(shù)值模擬

使用ABAQUS有限元軟件分別建立全厚度組合板和鋼梁整體預制的法蘭板-螺栓連接的現(xiàn)澆節(jié)點模型和預制節(jié)點模型.以下詳細介紹預制節(jié)點模型建模過程.

為簡化計算模型,使計算過程更易于收斂,作基本假定:鋼筋均勻分布在混凝土板中;壓型鋼板與混凝土板之間連接可靠;后澆混凝土與預制混凝土完全一致,協(xié)同工作;后澆混凝土與預制混凝土層、鋼梁、栓釘間膠結(jié)良好,協(xié)同受力;忽略壓型鋼板與混凝土板孔.

2.1 現(xiàn)澆節(jié)點模型和預制節(jié)點模型

現(xiàn)澆節(jié)點模型包含整塊組合板和鋼梁,兩者通過栓釘連接;預制節(jié)點模型包含2塊整體預制組合構(gòu)件,兩者通過法蘭板和螺栓連接.

為更直觀地呈現(xiàn)連接節(jié)點的受力性能,將連接節(jié)點設(shè)置在跨中處.建立的現(xiàn)澆節(jié)點模型和預制節(jié)點模型分別如圖4和圖5所示.

圖4 現(xiàn)澆節(jié)點模型

圖5 預制節(jié)點模型

2.2 材料本構(gòu)和模型參數(shù)

混凝土本構(gòu)模型選取的是塑性損傷模型[15-16],鋼材的本構(gòu)模型選取的是彈塑性雙折線模型.

預制節(jié)點模型參數(shù)如圖6所示.

圖6 預制節(jié)點模型參數(shù)(mm)

壓型鋼板使用YXB51-165-660型號,厚度1 mm,長度3 600 mm.混凝土厚度149 mm,長3 600 mm.鋼材均使用Q235鋼,混凝土強度等級選用C40.栓釘使用ML15材料,栓釘頭部直徑32 mm,栓桿長度75 mm.螺栓使用8.8級M16高強螺栓,螺母直徑24 mm,螺母厚度10.75 mm.

2.3 網(wǎng)格劃分、相互作用和加載方式

對預制節(jié)點模型中的組合板、鋼梁、栓釘和法蘭板等部件進行網(wǎng)格劃分,如圖7所示.單元類型均為C3D8R.

壓型鋼板和鋼梁之間、法蘭板對接面、鋼梁對接面及螺帽和法蘭板之間設(shè)置為“接觸”約束,均考慮接觸面間的摩擦作用,并允許接觸面間存在水平滑動,切向定義為“罰”摩擦約束,罰摩擦約束系數(shù)為0.65.螺栓桿與孔壁之間只定義為表面硬接觸.選擇“內(nèi)置區(qū)域”將栓釘嵌入到組合板中.其余約束為“綁定”約束.

定義邊界條件時,在鋼梁兩端底部設(shè)置墊塊,約束墊塊的各向位移,將邊界條件設(shè)置為鉸結(jié).為研究連接節(jié)點處的受力性能,按照鋼梁翼緣寬度在組合板上表面施加面荷載,如圖8所示.

2.4 現(xiàn)澆節(jié)點模型和預制節(jié)點模型的對比

使用ABAQUS有限元軟件計算,設(shè)置75%為應(yīng)力的平均閾值,即當相對應(yīng)力小于75%時,對該應(yīng)力進行平均.ABAQUS有限元軟件中的應(yīng)力σ按照Mises準則計算并輸出,在應(yīng)力云圖上,不同單元的Mises應(yīng)力對應(yīng)顯示不同的顏色.現(xiàn)澆、預制節(jié)點模型在荷載作用下的應(yīng)力云圖如圖9所示.圖9中的Mises應(yīng)力單位為Pa.

圖7 預制節(jié)點模型網(wǎng)格劃分

圖8 預制節(jié)點模型的邊界條件和加載方式

圖9 節(jié)點模型應(yīng)力云圖對比

由圖9可知,現(xiàn)澆節(jié)點模型受力較為均勻,而預制節(jié)點模型的應(yīng)力主要分布在跨中法蘭板處和兩側(cè)支座處,通過法蘭板-螺栓連接的兩段鋼梁應(yīng)力分布具有良好的連續(xù)性.這說明法蘭板-螺栓連接能有效傳遞荷載,工作性能良好,新型連接方式并沒有影響結(jié)構(gòu)的整體性能.

在每條荷載-位移曲線上標出3個斜率突變的特征點來分析受力過程,預制節(jié)點模型的特征點標號為1，對應(yīng)A1，A2，A3；現(xiàn)澆節(jié)點模型的特征點標號為2,對應(yīng)B1，B2，B3如圖10所示.

圖10 節(jié)點模型的荷載-位移曲線對比

由圖10可知,在相同條件下,預制節(jié)點模型的屈服荷載及位移、極限荷載及位移相較現(xiàn)澆節(jié)點模型略有降低.B1和B2點所對應(yīng)的屈服荷載分別為極限荷載的0.92倍和0.95倍.說明在整個破壞過程中,預制節(jié)點模型先于現(xiàn)澆節(jié)點模型屈服.預制節(jié)點模型相較于現(xiàn)澆節(jié)點模型的屈服荷載、極限荷載和極限位移分別減小了7.78%,5.37%和9.19%,均小于10%.數(shù)值模擬結(jié)果表明預制節(jié)點的力學性能基本等同現(xiàn)澆節(jié)點.

3 參數(shù)分析

通過ABAQUS有限元軟件計算分析了栓釘數(shù)、組合板的厚度和長度、螺栓數(shù)和法蘭板厚度對預制節(jié)點模型承載能力和變形能力的影響,并根據(jù)計算結(jié)果進行節(jié)點優(yōu)化.

3.1 栓釘數(shù)的影響

栓釘沿鋼板縱向分別采用單排和雙排布置,橫向在每個壓型鋼板凹肋處采用兩等分和三等分方式布置.不同栓釘數(shù)對預制節(jié)點模型力學性能的影響如圖11所示.

圖11 栓釘數(shù)對預制節(jié)點模型受力性能的影響

由圖11可知,隨栓釘數(shù)的增加,預制節(jié)點模型的極限荷載增大較明顯.當栓釘個數(shù)為24時,極限荷載及位移較小.當栓釘個數(shù)由48增加到96時,極限荷載增大不明顯.隨著栓釘數(shù)的增加,預制節(jié)點模型的變形能力和延性顯著提高.栓釘個數(shù)由24增加到96時,極限荷載提高了24.89%.

由本組模擬結(jié)果可知,布置96個栓釘,即每個壓型鋼板凹肋處布置4個栓釘.

3.2 組合板厚度的影響

采用不同組合板厚度對預制節(jié)點模型力學性能的影響如圖12所示.

由圖12可知,組合板厚度對預制節(jié)點模型的屈服荷載和極限荷載影響較大,組合板厚度從100 mm增大至250 mm,屈服荷載和極限荷載增幅先增大后減小,變形能力和延性也呈先增大后減小的趨勢.組合板厚度由100 mm增加至150,200,250 mm時,極限荷載分別提高了18.72%,22.07%,11.50%.

從本組模擬結(jié)果可知,建議選用200 mm左右厚的組合板.

圖12 組合板厚度對預制節(jié)點模型力學性能的影響

3.3 組合板長度的影響

當組合板厚度不變時,采用不同組合板長度對預制節(jié)點模型受力性能的影響如圖13所示.

圖13 組合板長度對預制節(jié)點模型力學性能的影響

由圖13可知,當組合板長度為2.1～6.6 m時,預制節(jié)點模型的屈服荷載、極限荷載、極限位移和延性均有較明顯的增大.當組合板長度為6.6～8.1 m時,荷載-位移曲線幾乎重合.組合板長度由2.1～3.6,5.1,6.6,8.1 m時,極限荷載分別提高了11.90%,8.71%,6.92%,1.01%.

由本組模擬結(jié)果可知,建議選用長度在5.1～6.6 m范圍內(nèi)的組合板.

3.4 螺栓數(shù)的影響

鋼梁之間的連接依靠螺栓和法蘭板實現(xiàn),螺栓數(shù)對節(jié)點的強度影響較大.不同螺栓數(shù)對預制節(jié)點模型力學性能的影響如圖14所示.

由圖14可知,隨螺栓數(shù)的增加,預制節(jié)點模型的屈服荷載和極限荷載顯著增大,尤其是屈服荷載增大較多,極限位移和延性先增大后減小.當螺栓從8個增至10個時,節(jié)點模型力學性能的提高幅度較螺栓從6個增至8個時明顯減小.螺栓數(shù)由6個分別增至8個和10個時,極限荷載分別提高了13.84%和8.29%.

圖14 螺栓數(shù)對預制節(jié)點模型力學性能的影響

由本組模擬結(jié)果可知,建議選用8個螺栓.

3.5 法蘭板厚度的影響

采用不同法蘭板厚度對預制節(jié)點模型力學性能的影響,如圖15所示.

圖15 法蘭板厚度對預制節(jié)點模型力學性能的影響

由圖15可知,隨法蘭板厚度的增加,預制節(jié)點模型的屈服荷載增加較多,極限荷載也有所增加,荷載-位移曲線走向趨于平緩.法蘭板厚度由 5～7.5,10,12.5 mm 時,極限荷載分別提高了9.11%,11.74%,5.66%.

從本組模擬結(jié)果可知,建議選用10 mm左右厚的法蘭板.

4 結(jié) 論

1) 通過有限元計算分析可知,預制節(jié)點模型的屈服荷載是自身極限荷載的0.92倍,而現(xiàn)澆節(jié)點模型的屈服荷載則是自身極限荷載的0.95倍.預制節(jié)點模型相較于現(xiàn)澆節(jié)點模型,屈服荷載和極限荷載分別減小了7.78%,5.37%.說明相對于整個破壞過程,預制節(jié)點模型要先于現(xiàn)澆節(jié)點模型破壞.

2) 預制節(jié)點的承載能力、變形能力與同等條件下的現(xiàn)澆節(jié)點相差不大.

3) 在設(shè)計預制節(jié)點時,建議采用96個栓釘,8個螺栓,并選用厚200 mm、長5.1～6.6 m的組合板及10 mm厚的法蘭板.