陽 旭,張秋實
(1.中鐵二十三局集團建筑設(shè)計研究院有限公司,四川成都 610031;2.西華大學(xué),四川成都 610031)
梁柱連接節(jié)點是裝配式結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵部位,節(jié)點連接的優(yōu)劣將直接影響結(jié)構(gòu)承載力和整體穩(wěn)定性。節(jié)點連接方式通常分為干式連接和濕式連接[1],與濕式連接相比干式連接省去安裝拆除模板和澆筑養(yǎng)護混凝土等工序,施工過程標準化,工藝簡便,具有良好的時效性[2]。
端板式裝配梁柱連接節(jié)點即為一種干式連接,是由型鋼、鋼筋籠和混凝土、螺栓四者共同組成整體受力的一種節(jié)點形式,其受力過程為梁端剪力、彎矩通過鋼筋與梁內(nèi)型鋼,通過連接螺栓傳至柱內(nèi),為一種半剛性連接節(jié)點。與傳統(tǒng)鋼筋混凝土現(xiàn)澆節(jié)點相比,具有承載能力強、抗震性能好、裝配快速方便等特點;與鋼結(jié)構(gòu)相比,具有耐久性、耐火性、發(fā)揮鋼材延展性等優(yōu)點[3-4]。
本文根據(jù)當(dāng)前裝配式結(jié)構(gòu)節(jié)點連接發(fā)展現(xiàn)狀,結(jié)合端板連接初始剛度理論和材料本構(gòu)關(guān)系,采用有限元軟件ABAQUS對其進行非線性承載能力分析。
梁柱連接節(jié)點設(shè)計時除應(yīng)能承受彎矩和剪力的強度和整體穩(wěn)定性要求外,還應(yīng)考慮連接節(jié)點在梁端彎矩作用下的轉(zhuǎn)角處于線彈性范圍內(nèi)時節(jié)點所具有的初始剛度的影響。傳統(tǒng)的鋼框架分析和設(shè)計時將節(jié)點假定為完全剛接或完全鉸接,對于端板螺栓連接的初始剛度,張建明[5]采用組件法推導(dǎo)了計算方法。
新型端板式裝配梁柱連接節(jié)點的初始剛度應(yīng)由受拉組件剛度和受壓組件剛度組成[6]。受拉構(gòu)件的整體剛度Kt由混凝土柱內(nèi)螺栓、端板、型鋼腹板等受拉構(gòu)件共同組成;受壓構(gòu)件的整體剛度由混凝土柱內(nèi)型鋼腹板抗壓剛度Kcwc和柱中鋼腹板的抗剪剛度Kcwv組成。由Kt、Kcwc、Kcwv即可得到改端板式連接節(jié)點的整體剛度K。其中Kt、Kcwc、Kcwv分別滿足下式要求:
柱腹板受壓剛度Kcwc為:
(1)
beff.cw=tbf+4te
(2)
式中:E為節(jié)點鋼材彈性模量;tcw為混凝土柱內(nèi)型鋼腹板厚度;tbf為混凝土梁內(nèi)型鋼翼緣厚度;te為端板厚度;beff.cw為考慮混凝土梁內(nèi)型鋼翼緣壓力按45°擴散;dcw為混凝土柱內(nèi)型鋼腹板凈高。
柱腹板受剪剛度Kcwv為:
(3)
式中:E為節(jié)點鋼材彈性模量;Avc為混凝土柱內(nèi)型鋼腹板截面面積;h0為混凝土梁內(nèi)型鋼腹板凈高;β為與連接受剪邊數(shù)有關(guān)的參數(shù),其取值參考文獻。
柱腹板受拉剛度Kcwt為:
(4)
式中:beff.cw為考慮混凝土柱內(nèi)型腹板受拉時的有效寬度。
柱端板的受彎剛度Kep為:
(5)
由式(4)、式(5)可得到受拉組件整體剛度Kt為:
(6)
由式(1)、式(3)、式(6)可得到節(jié)點的整體初始剛度K為:
(7)
本文選取框架連接節(jié)點為研究對象,共設(shè)計兩個節(jié)點模型(圖1)。模型1為新型端板式裝配梁柱連接節(jié)點,模型2為具有相同尺寸、材料、約束方式和邊界條件的傳統(tǒng)現(xiàn)澆節(jié)點。
圖1 梁柱節(jié)點連接
新型端板式裝配梁柱連接節(jié)點柱截面尺寸為800 mm×800 mm;梁截面尺寸為300 mm×700 mm;連接螺栓為24根M24 10.9S高強螺栓;節(jié)點混凝土強度等級為C30,混凝土梁、柱內(nèi)縱筋采用HRB400,箍筋采用HPB300;柱內(nèi)設(shè)“井”字型鋼,型鋼由腹板為20 mm和端板為30 mm焊接而成;梁內(nèi)設(shè)“工”字型鋼,型鋼均為20 mm厚鋼板焊接而成;型鋼材料強度等均為Q345。鋼材及混凝土基本參數(shù)如表1、表2所示,端板式梁柱連接節(jié)點如圖2所示。
表1 混凝土材料參數(shù)
表2 鋼材參數(shù)
圖2 端板式梁柱連接節(jié)點
本文混凝土采用損傷塑性模型[6]計算,本構(gòu)關(guān)系是基于GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[7]中附錄C所求出應(yīng)力應(yīng)變曲線所得。
受拉:
σ=(1-dt)Ecε
(8)
(9)
受壓:
σ=(1-dt)Ecε
(10)
(11)
鋼材本構(gòu)關(guān)系考慮屈服后材料硬化所以采用雙折線模型(圖3)。
圖3 鋼材應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線
本文混凝土與型鋼采用六面體三維八節(jié)點線性減縮積分單元C3D8R[8-9],縱筋與箍筋采用三維二節(jié)點桁架單元T3D2。縱筋與箍筋組成鋼筋籠,將型鋼與鋼筋籠組成的鋼骨架嵌入混凝土內(nèi)部。由于混凝土與型鋼以及混凝土與鋼筋籠之間的相對滑移較小,因此本文忽略三者間相對滑移量。螺桿與螺帽和鋼板孔壁設(shè)定綁定約束,柱體內(nèi)部螺桿設(shè)定嵌入約束。螺帽側(cè)面與承壓鋼板以及柱承壓鋼板與梁承壓鋼板三者之間采用面與面接觸,其中接觸屬性切向行為定義“罰”公式,摩擦系數(shù)取0.2,法向定義硬接觸。
關(guān)鍵詞有限元計算中網(wǎng)格劃分質(zhì)量對計算速度和精度有重要影響[10][11],本文采用六面體網(wǎng)格,其中梁混凝土單元取100 mm,柱混凝土單元取200 mm。工字型鋼單元取30 mm,承壓鋼板取20 mm,且在孔洞周圍相應(yīng)減小單元長度。螺桿單取30 mm,螺帽單元取3.4 mm,鋼筋籠單元取25 mm。
為最大程度模擬現(xiàn)實梁柱受荷情況,設(shè)置邊界條件時首先將柱底完全固定,其次選取柱頂截面中心點作為參考點rp1。為避免應(yīng)力集中,將參考點rp1耦合至柱頂截面,并沿z軸負方向施加軸壓比為0.2的壓力[12][13]。同理,梁左右兩端截面中心點設(shè)為參考點rp2、rp3,將rp2、rp3分別耦合至梁端對應(yīng)截面,在梁端施加沿x、y方向轉(zhuǎn)角位移約束,并在rp1、rp2上施加沿z軸負方向位移荷載。荷載過程分為兩個分析步;第一步控制柱底約束,第二步在柱頂施加軸力與梁兩端截面處施加位移荷載。由于本裝配梁柱連接節(jié)點螺栓接觸關(guān)系多且材料受力變形機理復(fù)雜,為避免計算結(jié)果不收斂,本文采用顯示動態(tài)分析計算。
(1)采用ABAQUS軟件建模,并模擬對梁端施加10 mm、20 mm、40 mm、60 mm、80 mm五級位移荷載,整理各構(gòu)件應(yīng)力變化如表3所示。由表3可知在各級荷載作用下混凝土梁的受壓區(qū)逐漸加大,最大壓應(yīng)力變化不大,且未屈服;混凝土柱在各級荷載作用下壓應(yīng)力逐漸增加;柱內(nèi)型鋼主要起連接作用,應(yīng)力較?。宦菟ê土簝?nèi)型鋼在各級荷載作用下應(yīng)力均處于彈性階段,變化范圍不大;在位移加載40 mm時,梁柱節(jié)點處混凝土梁產(chǎn)生細微的受拉裂縫。部件應(yīng)力分布結(jié)果如圖4所示。
表3 端板式構(gòu)件應(yīng)力變化 MPa
圖4 80 mm位移荷載作用下各構(gòu)件應(yīng)力云圖
分析圖4可知,對于裝配式結(jié)構(gòu)節(jié)點連接處應(yīng)力變化較大,節(jié)點上部以鋼材受拉為主,下部以混凝土受壓為主,有限元模擬應(yīng)力變化與經(jīng)驗結(jié)論吻合。由圖4(a)、圖4(b)可知混凝土梁受壓應(yīng)力較大,混凝土柱應(yīng)力變化相對較小。由圖4 (c)、圖4(d)可知螺栓應(yīng)力較大,在各級荷載作用下受拉范圍由上至下逐步加大。螺栓應(yīng)力主要分布在螺桿與承壓鋼板孔相交處應(yīng)力最大;梁端承壓鋼板應(yīng)力變化較大,變化云圖如圖5所示;對比現(xiàn)澆梁柱結(jié)構(gòu)在位移荷載作用下應(yīng)力云圖如圖6所示。
圖5 不同荷載下梁內(nèi)型鋼應(yīng)力變化云圖
圖6 現(xiàn)澆梁柱節(jié)點在各級荷載作用下應(yīng)力云圖
分析圖5可知,型鋼變化范圍沿梁上翼緣呈“心”形擴散。最大應(yīng)力出現(xiàn)在受拉區(qū)與螺栓接觸部位。由圖6可知,現(xiàn)澆梁柱節(jié)點的應(yīng)力主要表現(xiàn)為梁上部受拉、下部受壓,且下部節(jié)點承受壓應(yīng)力擴散趨勢大于上部節(jié)點;當(dāng)梁荷載逐漸增大時,柱內(nèi)應(yīng)力增大明顯。
通過在梁端施加五級位移荷載,獲得單調(diào)位移荷載作用下裝配式與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)節(jié)點承載能力值如表4所示,并繪制位移-荷載曲線見圖7。
由圖7數(shù)據(jù)可知,當(dāng)梁端位移加載至8 mm前,現(xiàn)澆節(jié)點斜率K1大于裝配式節(jié)點K2(即K1>K2),此時裝配式節(jié)點與現(xiàn)澆節(jié)點均處于彈性階段,現(xiàn)澆節(jié)點在位移荷載作用下,反應(yīng)出承載能力較大,裝配式節(jié)點承載能力較小,主要是因為裝配式節(jié)點鋼板與鋼板、螺栓與鋼板在小位移荷載作用下,有一個接觸過程。當(dāng)位移荷載加至8 mm以上時,裝配式節(jié)點在荷載作用下接觸面緊密,剛度較大,節(jié)點承載能加較大。
表4 節(jié)點承載力對比 kN
圖7 位移荷載曲線
本文基于傳統(tǒng)裝配式結(jié)構(gòu)節(jié)點連接特征,提出一種新型端板式裝配梁柱連接節(jié)點,利用有限元軟件在5級位移荷載下進行有限元分析,并與傳統(tǒng)現(xiàn)澆節(jié)點對比分析,以驗證新型端板式梁柱節(jié)點設(shè)計的合理性,了解本新型端板式梁柱連接節(jié)點的受力性能和承載能力,有限元分析結(jié)構(gòu)表明:
(1)新型端板式裝配梁柱連接節(jié)點與傳統(tǒng)現(xiàn)澆節(jié)點,兩種節(jié)點荷載—位移曲線發(fā)展規(guī)律基本一致。新型結(jié)構(gòu)節(jié)點承載能力高于傳統(tǒng)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu),提高約50 %。承載力提高程度與端板的厚度和螺栓直徑有關(guān),證明新型端板式裝配梁柱連接節(jié)點具有一定的承載力,滿足“強節(jié)點”的概念設(shè)計要求。
(2)梁在負彎矩作用下,梁上型鋼端板應(yīng)變變化范圍較大,在梁端上部應(yīng)力最大,并由上至下、由腹板向端部逐漸減弱;應(yīng)力應(yīng)變分布狀況與經(jīng)驗結(jié)論吻合。
(3)本文所設(shè)計的新型端板式裝配梁柱連接節(jié)點,施工工藝簡便、工期短、承載能力高;與此同時,本文未考慮地震作用對結(jié)構(gòu)的影響,以及忽略混凝土與型鋼粘結(jié)作用,具有進一步研究價值。