費建偉,李志安,楊紅亮,劉飛東,王 群,曹本富,孫忠偉

(浙江中南建設(shè)集團鋼結(jié)構(gòu)有限公司，浙江 杭州 310052)

矩形鋼管混凝土柱是指在矩形鋼管中填充混凝土且鋼管及其核心混凝土能共同承受外荷載作用的豎向承重構(gòu)件[1],它具有強度高、剛度大、延性好和耗能能力強、制作和施工方便、經(jīng)濟效果好等諸多優(yōu)點[2-3]。矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在高層及超高層建筑中具有很好的應(yīng)用前景,現(xiàn)已受到國內(nèi)外工程領(lǐng)域的普遍重視[4]。在多高層建筑中,矩形鋼管混凝土柱通過節(jié)點與梁等水平構(gòu)件連接組成抵御地震作用的抗側(cè)力體系,所以鋼管混凝土節(jié)點的計算方法和構(gòu)造措施是應(yīng)用中必須解決的關(guān)鍵問題[5]。

現(xiàn)在鋼管混凝土柱剛性節(jié)點主要有內(nèi)隔板節(jié)點、外隔板節(jié)點、外肋環(huán)板節(jié)點和隔板貫通節(jié)點四種節(jié)點形式。隔板貫通節(jié)點是在矩形鋼管內(nèi)設(shè)隔板,隔板貫通鋼管壁,鋼管與隔板焊接；鋼梁腹板與柱管壁采用高強螺栓通過連接板連接,鋼梁翼緣與外伸的內(nèi)隔板焊接[6]。隔板貫通節(jié)點雖然須將鋼管柱在節(jié)點處斷開,增加了節(jié)點區(qū)焊縫的長度,但與內(nèi)隔板節(jié)點相比,解決了管柱邊長較小時隔板焊接困難問題和梁翼緣與隔板對中問題,與外隔板節(jié)點相比,解決了因隔板太大墻板安裝困難問題,避免了室內(nèi)角部有凸角現(xiàn)象[7]。但隔板貫通式節(jié)點在施工中存在澆筑不方便的問題,隔板孔徑越大,鋼管內(nèi)混凝土越容易澆灌密實,可是過大的內(nèi)孔徑會削弱隔板有效受力面積,降低隔板的承載能力[8]。

因此，國內(nèi)外的學(xué)者對方鋼管混凝土貫通隔板節(jié)點的隔板孔做了研究。Matsui[9]對方鋼管混凝土柱外隔板節(jié)點和隔板貫通節(jié)點的設(shè)計方法進行了研究,分別提出了兩種節(jié)點的容許抗彎承載力計算公式,被日本建筑學(xué)會的 AIJ(1987)規(guī)程所采納,但兩種方法均忽略了鋼管對節(jié)點承載力的貢獻。Shim等[10]以內(nèi)隔板開口尺寸等為考察的主要參數(shù),進行了鋼管混凝土柱與鋼梁節(jié)點的靜力及滯回性能試驗研究,研究表明內(nèi)隔板圓孔的開口率達到50%,試件的強度幾乎不會降低。苗紀(jì)奎等[11]對方鋼管混凝土隔板貫通節(jié)點進行研究,研究認(rèn)為隔板厚度宜大于或等于梁翼緣厚度,建議澆筑孔徑R取值范圍為：a-bf≤R≤bd-bf(其中a為鋼管混凝土柱的邊長；bf為梁翼緣的寬度；bd為隔板的寬度)。

國內(nèi)外的專家學(xué)者主要是針對方鋼管混凝土隔板貫通節(jié)點孔研究較多,但對矩形鋼管混凝土柱弱軸方向的隔板孔的研究卻很少。然而矩形鋼管混凝土柱在現(xiàn)在的鋼結(jié)構(gòu)工程中應(yīng)用普遍,所以對矩形鋼管混凝土弱軸方向隔板孔的研究很有必要。

1 矩形鋼管混凝土柱隔板構(gòu)造設(shè)計

目前規(guī)范對于鋼管混凝土柱隔板設(shè)置灌漿孔都是采用居中的圓孔形式,四角部設(shè)置透氣孔,不論是方管還是矩形管,都是相同開孔形式,且在規(guī)程上給出了隔板承載力計算公式,可以方便工程師應(yīng)用。隨著國家裝配式建筑的推進,鋼結(jié)構(gòu)住宅也得到了發(fā)展和應(yīng)用。對于鋼管混凝土柱,采用矩形鋼管較方管更適合居住建筑,能很好地解決露柱問題；但是伴隨而來的問題是矩形管弱軸方向剛接梁節(jié)點構(gòu)造問題,目前有采用豎板連接的構(gòu)造方式。該連接構(gòu)造將翼緣內(nèi)力通過豎板進行轉(zhuǎn)換,實現(xiàn)了節(jié)點的彎矩傳遞；在住宅結(jié)構(gòu)中若采用外隔板節(jié)點,勢必隔板露出需要包覆,影響建筑視覺感官；若采用隔板貫通節(jié)點,則傳統(tǒng)的居中圓孔構(gòu)造方式,使得孔開不大。這勢必影響混凝土灌漿,因此改變了開孔方式,改為矩形孔或長圓孔形式。見圖1。

圖1 隔板貫通節(jié)點

2 節(jié)點受力機理分析

隔板在鋼梁翼緣的拉力作用下,假設(shè)為局部均布荷載作用,為約束梁的計算模型。隔板的約束情況比較復(fù)雜,兩側(cè)面壁板約束較強,可以認(rèn)為是固端約束,正面壁板對隔板為彈性約束,兩者會共同變形,因此翼緣荷載按兩者的剛度進行分配。隔板的計算模型見圖2,壁板的計算模型見圖3。

圖2 隔板受力模型

圖3 壁板受力模型

取柱子截面口a×c×t,a為鋼管柱截面長,c為鋼管柱截面寬,t為鋼管柱厚度；隔板厚度為d,外伸寬度為n,則隔板受力模型假定為兩端固端梁,固端梁跨度為l,灌漿孔寬度為f,固端梁截面高度為h=(c+2n-f)/2,固端梁截面寬度即隔板厚度為d。鋼梁翼緣寬度一般小于固端梁跨度,即作用在固端梁跨間局部范圍。假定作用力均布分布在固端梁跨度范圍,則固端梁在單位均布荷載作用下跨中撓度為v1=l4/384EI,則剛度為k1=384EI/l4,其中,I=dh3/12。

3 算 例

某矩形鋼管混凝土柱的截面高a為350 mm,寬c為170 mm的扁柱,壁厚t為12 mm,弱軸方向連接鋼梁,鋼梁翼緣寬度bf為150 mm,厚度tf為10 mm,隔板厚度d為14 mm,壁板影響高度b為158 mm,鋼材屈服強度fy為345 MPa,灌漿孔長度L為280 mm,灌漿孔寬度f為100 mm。則固端梁高度h=60 mm,固端梁慣性矩I=252 000 mm4,固端梁剛度k1=3 243 N/mm,壁板單位抗彎剛度D=32 597 802 N·mm,a/b=2.215,根據(jù)鐵木辛柯《板殼理論》[12]求得m=0.002 64,則壁板剛度k2=3 129.6 N/mm,則壁板上作用的力F2=254 139 N,隔板上作用的力F1=263 360 N,則壁板上作用的線荷載q2=726.1 N/mm,隔板上作用的線荷載q1=940.6 N/mm。

將上述構(gòu)件采用有限元軟件進行實體建模及數(shù)值分析,有限元模型見圖4。經(jīng)分析得知,當(dāng)翼緣達到全截面屈服狀態(tài)時,隔板剪應(yīng)力云圖見圖5。鋼梁與隔板的等效應(yīng)力云圖分別見圖6、圖7。

圖4 有限元模型

圖5 隔板剪應(yīng)力

圖6 鋼梁等效應(yīng)力

圖7 隔板等效應(yīng)力

從圖5可知有限元模擬得到的剪應(yīng)力與簡化公式求得的剪應(yīng)力相當(dāng),因此可采用上述公式進行隔板承載力驗算；由圖6與7可知,當(dāng)鋼梁屈服時,隔板在開孔壁上的受拉區(qū)與受壓區(qū)進入屈服,也由固端梁的受力模型可以知道位于固端梁的跨中和端部。

4 結(jié) 語

對于矩形鋼管混凝土柱,弱軸方向截面高度較小,隔板貫通節(jié)點能較好傳遞鋼梁彎矩,但傳統(tǒng)灌漿孔方式孔徑較小,對于混凝土灌漿很不利。改變了傳統(tǒng)的灌漿孔,改為矩形孔,增大了灌漿孔開孔面積,由此帶來的問題是隔板承載力計算沒有現(xiàn)成公式。通過對隔板與壁板的變形協(xié)調(diào)分析,得出了隔板的受力機理。推導(dǎo)相關(guān)公式,并采用有限元數(shù)值模擬進行對比驗算,結(jié)果是兩者吻合較好。下一步改進灌漿孔,由矩形孔改為長圓孔,是否會改善直角處的應(yīng)力集中,有待進一步研究。