孫建龍

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

1 概述

由于預應力型鋼混凝土梁與鋼管混凝土柱具有剛度大、承載力高及延性好等優(yōu)點[1]，將兩者結合可以滿足超大跨度、重載結構的要求，但兩者梁柱節(jié)點的可靠性是能否實現(xiàn)上述目標的關鍵[2]?；诖藛栴}，國內學者對此進行大量研究。其中聶建國等[3]對鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁外加強環(huán)節(jié)點進行了試驗研究，對其構造措施提出了改進建議。丁陽等[4]采用低周往復擬靜力試驗與數(shù)值模擬相結合的研究方法，對鋼管混凝土柱-預應力混凝土梁T形節(jié)點進行了研究，得出其具有良好的承載力及延性。金懷印等[5-6]基于非線性有限元軟件，對PSRC梁-CFT柱隔板貫穿式節(jié)點進行了分析，結果表明：該節(jié)點具有較高的承載能力與良好的延性，呈現(xiàn)梁鉸破壞機制，后期承載力、剛度退化緩慢，滿足工程安全性要求。方梅[7]通過低周往復荷載試驗，研究不同預應力對鋼管混凝土柱-預應力混凝土梁節(jié)點的影響，結果表明：預應力對試件的破壞類型幾乎沒有影響，但使其剛度退化加快，耗能性能降低。

綜上，兩向正交的型鋼混凝土梁-鋼管混凝土柱節(jié)點的研究和工程應用都比較成熟[8-9]，然而斜向交匯的預應力型鋼混凝土梁-鋼管混凝土柱節(jié)點的研究相對較少，所以對此的研究具有重要意義。以某站房邊跨斜向交匯預應力型鋼混凝土梁-鋼管混凝土柱節(jié)點為研究對象，基于ADINA有限元軟件模擬分析結果，采用縮尺模型試驗，對該節(jié)點在設計荷載作用下各單元的應力分布、荷載位移曲線及低周往復荷載下的滯回曲線等指標進行了試驗研究，得到該類型節(jié)點的受力機理及抗震性能，為工程設計提供理論依據(jù)和優(yōu)化建議。

2 工程概況[10-11]

新建呼和浩特東客站為一現(xiàn)代化大型鐵路客站，站房建筑面積59 240 m2。站房高架候車廳樓蓋柱網(wǎng)為31.2 m，呈正三角形規(guī)則布置。本工程設計使用年限為50年，建筑結構的安全等級為一級，抗震設防烈度為8度，地震加速度0.2g。

站房主體結構采用了鋼管混凝土柱-預應力混凝土梁框架結構體系，其中站房高架層的計算模型如圖1所示。預應力混凝土梁端部設置有型鋼梁，與鋼管混凝土柱節(jié)點區(qū)上下加強環(huán)板焊接，梁內預應力筋和部分普通鋼筋穿過節(jié)點核心區(qū)，部分普通鋼筋與環(huán)板雙面焊接連接。由此，站房中部形成兩向正交的預應力型鋼混凝土梁-鋼管混凝土柱節(jié)點，而站房兩側邊跨則形成了復雜的斜向交匯預應力型鋼混凝土梁-鋼管混凝土柱節(jié)點。其中交?軸所形成的典型斜向交匯節(jié)點如圖2所示，與節(jié)點相連各構件的截面及材質如表1所示。

圖1 站房高架層結構計算模型(局部)

圖2 節(jié)點平面示意(單位：mm)

構件混凝土梁/mm型鋼梁/mm梁端跨中截面預應力筋/mmKL12200×19001600×1900H1600×800×25×404×19?s15.2KL22200×19001600×1900H1600×800×25×406×16?s15.2KL32200×19001600×1900H1600×800×25×304×16?s15.2

注：混凝土等級為C40，鋼質為Q345B；預應力筋為φ15.2 mm鋼絞線。

3 有限元分析

3.1 模型建立

為了確保有限元模型建立的準確性，模型設計時采用了全三維CAD設計，很好地解決了鋼結構、混凝土、鋼筋、預應力鋼絞線之間的幾何干涉關系，建立的節(jié)點模型如圖3所示。

圖3 梁柱三維實體模型

由三維實體模型可知，該節(jié)點模型中鋼結構、鋼筋和混凝土的相互關系非常復雜，對有限元分析的前期建模及分析軟件的選擇都有較高的要求。綜合對比各類有限元分析軟件后，節(jié)點擬采用Hyper Mesh對有限元模型進行精確的劃分，再采用通用程序ADINA—Automatic Dynamic Incremental Nonlinear Analysis對節(jié)點進行非線性有限元分析[12-13]。

模型中所用的荷載種類、大小同實際工程設計中使用的荷載一致。荷載直接提取整體桿系模型中一組最不利控制組合的桿件內力或節(jié)點位移作為其計算控制荷載或約束邊界條件。

在建模過程中，鋼管與混凝土間采用了接觸約束、綁定約束等[14-15]非線性邊界約束單元。由于本節(jié)點各構件幾何截面均較大，幾何非線性和狀態(tài)非線性問題不突出，故而分析中只涉及混凝土、鋼材的彈塑性材料非線性問題。鋼材采用等向彈塑性模型，混凝土采用塑性損傷模型，參照文獻[16]的本構關系。非線性計算方法選擇了Newton-Raphson分步增量迭代算法(混合算法)。建成后的梁柱節(jié)點有限元模型如圖4所示。

圖4 梁柱節(jié)點有限元模型

節(jié)點采用逐級遞增加載方式，加載步總共分為10級，荷載遞增量為10%，最大荷載值按整體分析中各種組合工況下的最不利荷載采用，邊界條件為直接在鋼管混凝土柱上下端有限元節(jié)點上設置剛性約束。荷載加載位置及約束位置如圖4所示。

3.2 計算結果

加載至最大荷載步時，梁柱節(jié)點范圍內各單元的應力云圖如圖5所示。從鋼管柱應力云圖可見，對于鋼管柱及內置型鋼梁，應力峰值為177 MPa，出現(xiàn)在型鋼梁與外加強環(huán)板交界處，為應力集中現(xiàn)象，但區(qū)域面積小，分布離散且不貫通。濾去應力集中區(qū)域，鋼管柱的最大應力值為140 MPa，型鋼梁的最大應力值120 MPa，遠小于規(guī)范限值；從框架梁內預應力筋、縱向鋼筋的應力云圖可見，各受力筋的應力分布較為均勻，且應力值均控制在規(guī)范限值以內；從梁端箍筋應力云圖可見，加強區(qū)段的箍筋應力值較小，最大應力值出現(xiàn)在梁端加強區(qū)以外，說明在梁端剪力作用下，梁端加強區(qū)及型鋼梁的設置分擔了大部分剪力，設計時應在梁端加強區(qū)以外一定范圍內設置箍筋加密區(qū)，確?？辜舫休d力的平緩過渡。

圖5 節(jié)點區(qū)各單元的應力云圖

根據(jù)上述各單元的應力云圖分布可見，ADINA有限元軟件及HyperMesh網(wǎng)格劃分功能可有效地模擬梁柱節(jié)點的受力性能及鋼筋(預應力筋)與混凝土間接觸關系，此技術為其他部位的梁柱節(jié)點的受力分析提供了可能，也為實體縮尺模型試驗提供了必要的數(shù)據(jù)支撐，達到減小試件數(shù)量、優(yōu)化設計的目的。

梁柱節(jié)點的荷載-位移關系曲線如圖6所示。從曲線段可見，在設計荷載作用下，節(jié)點呈非線性彈性變化，加載至第10級荷載步時，位移達到16 mm，此時曲線仍未出現(xiàn)塑性平緩或下降段，可見該梁柱節(jié)點具有很好承載力和剛度。

圖6 節(jié)點荷載-位移曲線

4 節(jié)點試驗

4.1 試件設計與制作

根據(jù)實際工程的構件尺寸及實驗室加載條件，采用1∶4縮尺模型試驗。各構件截面尺寸、鋼板厚度按1∶4為基準并考慮強度設計值和鋼板型號進行縮尺，構件內的鋼筋及預應力筋按截面等配筋率原則進行配置。按上述原則換算的試件參數(shù)如表2所示。

表2 試件尺寸

注：試件尺寸以KL2為例。

各鋼構件間均采用全熔透坡口等強焊接，梁端的負彎矩筋部分繞過鋼管柱連續(xù)設置，部分焊接在環(huán)板上達到錨固的要求；為了測量各級荷載下不同部位的應力、應變，在環(huán)板、加勁肋、普通鋼筋等試件受力較大部位設置了應變片，制作完成的試件如圖7所示。

圖7 試件制作及安裝

4.2 靜力加載

采用由小到大逐級加載的方式進行，共分11級，除1、2級間增量為25 kN外，其他各級間增量均為50 kN，最大加載量為500 kN。每級加載到位后，測量各應變片應變、觀察裂縫是否產生、測量裂縫寬度等。

根據(jù)所設應變片測得的各單元應力情況分析，梁內型鋼梁及環(huán)板的應力均較小，與有限元分析相吻合。

第4級加載(相當于極限荷載的30%)末期，裂縫開始產生，最明顯的裂縫出現(xiàn)在?軸和軸交界處以及軸梁的根部；第5級加載(相當于極限荷載的40%)時，最大裂縫寬度在0.10～0.12 mm，第6級加載時，最大裂縫寬度在0.20 mm左右，第7級加載(相當于極限荷載的60%)時，最大裂縫寬度達到0.28～0.30 mm。部分靜力加載時刻的構件裂縫如8所示。

上述所有裂縫均為彎曲裂縫，剪切裂縫幾乎沒有產生。

圖8 第5、第7級加載時刻構件裂縫

4.3 低周往復荷載試驗

對2根主梁梁端施加低周往復荷載，加載制度為兩根梁相向加載，加載按位移控制，每級位移為梁長度的1%，加載所得到的滯回曲線如圖9所示。試件的滯回曲線相對飽滿，沒有捏縮現(xiàn)象，表明該節(jié)點具有良好的耗能能力。

圖9 試件滯回曲線

低周往復加載下，試件的損傷不斷積累，裂縫發(fā)展迅速、導致最終破壞，破壞區(qū)域主要集中在?軸梁工字鋼截斷處和軸梁的根部，如圖10所示，而梁柱節(jié)點區(qū)域傳力狀態(tài)穩(wěn)定。

圖10 試件最終破壞狀態(tài)

4.4 試驗小結

根據(jù)上述試驗結果可得出：

(1)試驗節(jié)點在試驗過程中未產生任何剪切斜裂縫，說明梁端抗剪加強措施是有效的，且有合理的余量。

(2)梁內型鋼梁和環(huán)板的應力、應變均相對較小，具有一定的安全儲備，可據(jù)此進行優(yōu)化設計。

(3)梁柱節(jié)點的滯回曲線飽滿，具有良好的耗能能力和抗震性能。

綜上可見，工程中所涉斜向交匯預應力型鋼混凝土梁-鋼管混凝土柱節(jié)點是可靠的，且達到承載能力極限狀態(tài)時，材料的屈服區(qū)域在節(jié)點以外，符合框架結構“強柱弱梁更強節(jié)點”的抗震設計原則。

5 結論

(1)采用ADINA有限元軟件及HyperMesh網(wǎng)格劃分功能，可有效地模擬復雜預應力型鋼混凝土梁-鋼管混凝土柱節(jié)點，具有較高的計算精度和準確性，為實體縮尺模型試驗提供了必要的數(shù)據(jù)支撐和設計依據(jù)。

(2)節(jié)點有限元分析表明，該梁柱節(jié)點具有較好的承載力和剛度，梁端加強區(qū)及型鋼梁分擔了梁端大部分剪力，設計時建議在梁端加強區(qū)以外一定范圍內設置箍筋加密區(qū)，確?？辜舫休d力的平緩過渡。

(3)1∶4縮尺模型試驗表明，混凝土構件裂縫主要表現(xiàn)為彎曲裂縫，幾乎未見剪切裂縫，說明節(jié)點具有較強的抗剪能力，可對梁內型鋼梁進行適當優(yōu)化。

(4)該節(jié)點的滯回曲線飽滿，具有良好的耗能能力和抗震性能，同時可實現(xiàn)框架結構“強柱弱梁更強節(jié)點”的抗震設計原則。