張國松，李澤深，韓軍強

(1.浙江省二建鋼結(jié)構(gòu)有限公司，浙江 寧波 315200； 2.浙江省建設(shè)投資集團有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

在住宅結(jié)構(gòu)中使用鋼管柱時，為了避免柱子在平面外方向尺寸過大而導(dǎo)致凸梁凸柱的弊端，通常采用與建筑墻體等厚的扁鋼管混凝土柱。吳丹[1]提出了一種對拉螺栓式的扁柱鋼梁連接形式，通過采用穿芯高強螺栓將梁和柱連接起來，這種構(gòu)造方式簡單方便，能夠滿足強柱弱梁的設(shè)計要求。付波等[2]提出一種外頂板式節(jié)點，通過4塊楔形鋼板將扁柱和H型鋼梁焊接到一起。托婭[3]提出了扁鋼管混凝土柱π形件節(jié)點，該節(jié)點可使結(jié)構(gòu)塑性鉸遠離節(jié)點核心區(qū)，使構(gòu)件破壞先于節(jié)點破壞。近年來，隨著國產(chǎn)單邊螺栓的量產(chǎn)，給封閉截面構(gòu)件提供了新的連接方式。單邊螺栓具有單側(cè)擰緊、施工便捷、連接可靠的特點，可以解決常規(guī)螺栓在封閉截面連接時結(jié)構(gòu)內(nèi)部無操作空間的問題。單邊螺栓連接矩形鋼管柱-H型鋼梁節(jié)點的可靠性得到了諸多研究的證實[4-6]。

在住宅結(jié)構(gòu)中采用扁鋼管混凝土柱時，由于短邊尺寸較小，內(nèi)設(shè)普通加勁肋或開孔加勁肋都存在混凝土灌注施工困難或難以灌注密實的問題。國內(nèi)外學(xué)者提出采用外環(huán)板式構(gòu)造或類似外環(huán)板的其他加強形式來避免鋼管內(nèi)部設(shè)置加勁肋[7-8]，但外環(huán)板占用外部面積較大，在住宅結(jié)構(gòu)中使用時不利于戶型的布置。利用單邊螺栓連接的扁柱節(jié)點無需在鋼管柱內(nèi)施工，內(nèi)部不設(shè)加勁肋的鋼管柱與鋼梁采用單邊螺栓連接時，內(nèi)部無需焊接和螺栓擰緊施工，可直接使用型鋼鋼管制作，施工便捷，可較大程度降低制作成本。但無內(nèi)加勁肋的扁鋼管柱節(jié)點核心區(qū)易出現(xiàn)柱子變形過大、節(jié)點受力性能不佳的問題。為此，本文擬探討不同加強形式的無內(nèi)加勁肋扁鋼管柱-H型鋼梁單邊螺栓連接節(jié)點的受力性能和破壞模式。通過對5種加強的無內(nèi)加勁肋扁鋼管柱-H型鋼梁節(jié)點的承載能力、變形性能、節(jié)點剛度、應(yīng)用方便程度等進行分析，優(yōu)選加強的節(jié)點構(gòu)造，為不設(shè)內(nèi)加勁肋的扁鋼管柱-H型鋼梁節(jié)點設(shè)計應(yīng)用提供參考。

1 試樣設(shè)計

為了研究不同加強形式對節(jié)點承載力及變形性能的影響，設(shè)計5種不同構(gòu)造形式的加強型無內(nèi)加勁肋扁鋼管柱-H型鋼梁節(jié)點，包括：增大端板加勁肋尺寸(見圖1b)、與端板連接位置梁端設(shè)置蓋板加強(見圖1c)、柱內(nèi)壁在端板范圍內(nèi)加厚(見圖1d)、柱外壁在端板上下100mm范圍內(nèi)加厚(見圖1e)和在梁端下部加腋(見圖1f)。不同加強形式節(jié)點構(gòu)造如表1所示。各節(jié)點梁、柱截面尺寸相同，分別為H300×150×6.5×9和≤400×200×14。梁柱線剛度比為0.16，滿足強柱弱梁要求?？紤]節(jié)點對柱的影響范圍不超過2倍端板高度，柱高設(shè)計為2m，假設(shè)框架梁的反彎點位置位于框架梁跨度的1/4處，按梁跨度7m計算，取梁長1.55m。各節(jié)點端板尺寸、螺栓規(guī)格、螺栓孔距相同，根據(jù)規(guī)范[9-10]的要求，端板厚度取18mm，端板與梁連接區(qū)域設(shè)置加勁肋，加勁肋厚度取10mm。除螺栓外，其余材料均為Q345鋼。

圖1 各節(jié)點構(gòu)造

表1 不同加強形式節(jié)點構(gòu)造

2 不同加強形式節(jié)點受力性能有限元模擬分析

2.1 模型參數(shù)選取

利用通用有限元軟件ABAQUS建立單邊螺栓連接扁柱-H型鋼梁節(jié)點模型?？紤]到扁柱上、下端位于反彎點位置，該處彎矩為0且可以在平面內(nèi)發(fā)生轉(zhuǎn)動。在柱子上、下端約束除平面內(nèi)轉(zhuǎn)角URy以外所有方向的變形(節(jié)點所在坐標(biāo)系如圖2所示)。柱頂端設(shè)置軸壓力，軸壓比取0.2，放松柱頂在z方向的位移，以考慮由于柱子軸壓導(dǎo)致的柱頂變形。在梁端施加豎直向下的位移以模擬實際節(jié)點受到的豎向作用，并約束梁端不發(fā)生平面外的變形。節(jié)點邊界條件和加載情況如圖2所示。

圖2 各節(jié)點坐標(biāo)

模型采用8節(jié)點線性減縮積分實體單元C3D8R，整體網(wǎng)格尺寸為5cm，在節(jié)點核心區(qū)域如端板位置、螺栓、柱子中部、梁端與端板連接區(qū)域等對網(wǎng)格進行細化?？紤]到梁柱節(jié)點核心區(qū)域存在大量的接觸關(guān)系，在端板與柱壁、端板與螺栓套筒、端板與螺栓桿、螺栓桿與螺栓套筒、螺栓桿與柱壁、螺栓套筒與柱壁位置定義面面接觸，其中法向行為采用硬接觸，允許接觸后分離，切向行為采用罰接觸，摩擦系數(shù)取0.4。Q345鋼和10.9級高強度螺栓的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系采用三段線性關(guān)系。為不失一般性，屈服強度、極限強度和彈性模量均采用理論值，如表2所示，泊松比取0.3。

表2 鋼材參數(shù)

2.2 模型可靠性驗證

為了獲取單邊螺栓連接扁柱-H型鋼梁節(jié)點的受力性能，對2種柱壁加強型節(jié)點S3，S4進行試驗測試。測試得到的S4節(jié)點變形與數(shù)值模擬結(jié)果對比如圖3所示，2種節(jié)點的荷載-位移曲線對比如圖4所示。從圖4可以看出，本文建立的數(shù)值模型可以很好地模擬節(jié)點的變形情況和破壞趨勢。數(shù)值模擬得到的荷載-位移曲線在彈性階段幾乎與試驗數(shù)據(jù)完全相同。當(dāng)節(jié)點進入塑性階段后，數(shù)值模擬得到的承載力略小于試驗結(jié)果，這是由于數(shù)值計算所采用的材料本構(gòu)模型為線彈性本構(gòu)，在塑性階段對材料性能的描述與實際材性之間有誤差。2種節(jié)點的極限承載力誤差在6%以內(nèi)，證明了本文所建立的有限元數(shù)值模擬具有較好的可靠性。

圖3 S4節(jié)點破壞形態(tài)對比

圖4 S3，S4節(jié)點模擬與試驗荷載-位移曲線對比

2.3 節(jié)點受力性能分析

2.3.1破壞模式

6個節(jié)點的主要破壞形態(tài)如圖5所示。從圖5可以看出，無任何加強的S0節(jié)點中柱壁和端板在節(jié)點核心區(qū)拉力作用下發(fā)生明顯的鼓曲變形，上側(cè)螺栓受到較大的拉力，梁端沒有明顯的屈曲現(xiàn)象(見圖5a)。S1節(jié)點為加勁肋加強型節(jié)點，與S0節(jié)點相比，增加了加勁肋與梁連接部分的長度，導(dǎo)致梁在加勁肋伸長區(qū)域發(fā)生的轉(zhuǎn)動變形較小，但在節(jié)點核心區(qū)仍出現(xiàn)了明顯的柱子鼓曲現(xiàn)象。S2和S5節(jié)點為梁加強型節(jié)點，與S0節(jié)點相比，S2和S5節(jié)點梁上應(yīng)力變小，柱壁有較明顯的鼓曲現(xiàn)象，變形量比S0稍小(見圖5c，5f)。S3和S4節(jié)點為柱加強型節(jié)點，節(jié)點核心區(qū)域柱子的變形相對較小，梁端在加勁肋外側(cè)有明顯的屈曲現(xiàn)象，表明節(jié)點塑性鉸出現(xiàn)在梁端，符合強柱弱梁的抗震設(shè)計要求(見圖5d，5e)。

圖5 各節(jié)點破壞模式

2.3.2承載力和延性分析

6個節(jié)點的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線如圖6所示。從圖6可以看出，不同加強形式對節(jié)點的受力性能影響差異較大。其中，S3和S4節(jié)點的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線呈雙線性特征，有較明顯的屈服點，在屈服點前節(jié)點基本處于彈性變形，屈服點后節(jié)點的承載力提升較小。節(jié)點的初始剛度比S0有明顯的提高。其余節(jié)點的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線均為平滑的曲線，沒有明顯的屈服點，加強節(jié)點S1，S2和S5的承載力比S0有所提高，但提高幅度不大。3種加強節(jié)點的初始剛度與S0相比沒有明顯的提高。

圖6 各節(jié)點彎矩-轉(zhuǎn)角曲線

表3給出了6個節(jié)點的初始剛度、屈服轉(zhuǎn)角和極限彎矩值。從表3可以看出，各節(jié)點初始剛度差異較大，柱壁外側(cè)貼板的S4試樣初始剛度最大，其次是柱內(nèi)壁加強的S3試樣。與S0節(jié)點相比，分別提高了2.9倍和1.9倍。這表明對柱壁進行加強可以顯著改善無內(nèi)加勁肋扁柱節(jié)點的受力性能。各節(jié)點的屈服轉(zhuǎn)角均較小，表明節(jié)點具有較強的非線性特征。5個加強型節(jié)點的極限彎矩均比S0大，表明節(jié)點加強可以一定程度上改善節(jié)點的承載力。增大加勁肋尺寸的S1試樣極限承載力最大，與S0相比，各加強節(jié)點的承載力提升幅度不大，這是因為節(jié)點設(shè)計時考慮到強柱弱梁的要求，梁剛度設(shè)計較弱，所有節(jié)點均在梁發(fā)生屈曲時達到極限承載力。

表3 各節(jié)點力學(xué)指標(biāo)

3 結(jié)語

通過對5種不同加強形式的無內(nèi)加勁肋扁鋼管柱-H型鋼梁單邊螺栓連接節(jié)點的受力性能和破壞模式進行有限元模擬分析，獲得各節(jié)點的破壞形態(tài)、極限彎矩、屈服轉(zhuǎn)角、節(jié)點剛度特征，并與無加強的節(jié)點性能進行對比，得到結(jié)論如下：梁端加強對節(jié)點受力性能的提升幫助較小。增強端板加勁肋可以提高節(jié)點的承載力，但提升幅度不大。梁端加強和加勁肋加強形式節(jié)點的破壞形態(tài)與無加強節(jié)點的破壞形態(tài)類似。柱壁加強形式對節(jié)點剛度、承載力及破壞模式的影響最大，加強后的節(jié)點破壞時柱壁沒有明顯的鼓曲現(xiàn)象，節(jié)點的初始剛度與無加強節(jié)點相比提高了2～3倍，是不便設(shè)置柱內(nèi)加勁肋時較理想的扁柱-H型鋼梁柱節(jié)點構(gòu)造形式。在柱壁外側(cè)貼板或柱壁內(nèi)側(cè)貼板對節(jié)點承載力和剛度的提升差別不大，可根據(jù)實際需要選擇加強形式。在對房屋空間有嚴格限制要求時進行柱內(nèi)加強，在對結(jié)構(gòu)施工效率或裝配率有較高要求時選擇柱壁外側(cè)貼板加強。本文可為不設(shè)內(nèi)加勁肋的扁鋼管柱-H型鋼梁節(jié)點設(shè)計應(yīng)用提供參考。