王連廣，許 剛，劉 姝，黃志武

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819；2.中建二局第四建筑工程有限公司，天津 300457)

外包鋼混凝土梁柱是在外部配置角鋼、鋼板等型鋼，通過橫向箍筋連接成鋼骨架，再澆筑混凝土而形成的結(jié)構(gòu)，具有自重輕、截面尺寸小、延性好的優(yōu)點[1-3]。J.Liu[4]提出一種新型U型鋼-預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁，通過剪力釘連接，承載力較鋼筋混凝土梁提高了5%～10%。H.Kim[5]對采用螺栓連接的角鋼組合柱進行偏心加載試驗，結(jié)果表明其軸向強度和延性均大于傳統(tǒng)型鋼混凝土組合柱。對于梁柱節(jié)點，其構(gòu)造形式直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的可靠性，為解決傳統(tǒng)節(jié)點施工復(fù)雜、延性不足等問題，國內(nèi)外學(xué)者在節(jié)點設(shè)計[6-8]、性能優(yōu)化[9-10]、理論推導(dǎo)[11-12]方面進行了廣泛研究。吳峰[13]通過研究得出現(xiàn)澆鋼纖維混凝土梁柱節(jié)點較普通混凝土梁柱節(jié)點在剛度、抗裂強度及剪切延性方面均有增加，但核心區(qū)域剪切變形較大，導(dǎo)致耗能指標(biāo)出現(xiàn)下降。B.Mou[14]通過循環(huán)加載試驗，研究了由外環(huán)加勁肋加固的鋼-混凝土組合梁柱節(jié)點的抗震性能，分析其剪切能力、滯后行為、變形能力和失效模式。H.Hwang[15]對現(xiàn)澆U型鋼混凝土梁與外包角鋼混凝土柱節(jié)點進行循環(huán)荷載試驗，研究其承載、變形能力及破壞模式。C.Wu[16]研究了H型鋼鋼筋混凝土柱-鋼梁節(jié)點在低周往復(fù)載荷作用下的失效過程及特點，其荷載-位移曲線較為飽滿，承載力高，耗能強，但加工時須保證節(jié)點處焊接強度。S.Yu[17]通過擬靜力試驗研究了不同連接方式下鋼-混凝土梁柱節(jié)點受力特性，分析了接頭蓋板的長度、法蘭盤厚度和焊縫長度對節(jié)點抗震性能的影響，并利用ABAQUS驗證其可靠性。B.Dong[18]和D.Ma[19]研究了鋼筋混凝土(RC)梁-鋼管混凝土(CFST)疊合柱節(jié)點的抗震性能，增加節(jié)點處配筋率和梁柱的截面尺寸能夠提高結(jié)構(gòu)的承載能力、延性。

目前對于外包鋼混凝土構(gòu)件的連接研究主要集中在現(xiàn)澆節(jié)點，施工中須嚴(yán)格控制核心區(qū)混凝土的澆筑質(zhì)量，而預(yù)制構(gòu)件具有施工質(zhì)量高、施工方便等優(yōu)點[20]。因此，筆者提出了3種采用螺栓連接的預(yù)制外包鋼混凝土梁柱節(jié)點構(gòu)造，選取外法蘭盤節(jié)點建立ABAQUS有限元模型，并與現(xiàn)澆節(jié)點進行對比，研究其荷載-位移曲線以及法蘭盤、高強螺栓對節(jié)點剛度、承載力的影響，以優(yōu)化節(jié)點構(gòu)造。

1 節(jié)點設(shè)計

1.1 外法蘭盤連接節(jié)點

根據(jù)法蘭盤與高強螺栓剛度大、延性好的特點，設(shè)計一種預(yù)制外法蘭盤連接梁柱節(jié)點(見圖1)，該連接節(jié)點具有自重輕、受力方式清晰、施工方便的特點，適用于高層、超高層等建筑。

圖1 外法蘭盤連接節(jié)點示意圖Fig.1 Schematic of external flange connection joint

綁扎預(yù)制柱鋼筋與角鋼，并在柱上延伸出一段預(yù)埋梁，綁扎好預(yù)埋梁上的縱筋、鋼底板，將彎曲錨固鋼筋焊接在法蘭盤上，法蘭盤焊接在鋼底板與縱筋上，澆筑混凝土，完成預(yù)制柱制作，截面示意圖見圖2(a)，外包鋼混凝土梁做法同預(yù)埋梁，截面示意圖見圖2(b)。將兩者螺栓孔對齊，在梁上完成法蘭盤與螺栓連接。

圖2 截面示意圖Fig.2 Schematic section

1.2 環(huán)向鋼板套筒連接節(jié)點

為避免柱上預(yù)埋梁制作，設(shè)計一種環(huán)向鋼板套筒梁柱連接節(jié)點(見圖3)，將上述預(yù)制外包鋼柱的一段外包角鋼替換為環(huán)向鋼板套筒，可增強梁柱連接節(jié)點的剛度，運輸和施工更加方便，適用于高層、超高層等建筑以及對抗震設(shè)防烈度要求較高的區(qū)域。環(huán)向鋼板套筒見圖4，在鋼板套筒上焊接錨固鋼筋，用于加固鋼板套筒與外包鋼混凝土柱，并預(yù)留螺栓孔，將高強螺栓一端預(yù)埋在螺栓孔內(nèi)，澆筑混凝土。將上述外包鋼混凝土梁端法蘭盤與環(huán)向鋼板套筒柱通過螺栓相連，節(jié)點見圖5。

圖3 環(huán)向鋼板套筒連接節(jié)點示意圖Fig.3 Schematic of circumferential steel sleeve connection joint

圖4 環(huán)向鋼板套筒Fig.4 Schematic of steel sleeve

圖5 環(huán)向鋼板套筒連接節(jié)點3-3截面示意圖Fig.5 Schematic of section 3-3 of circumferential steel sleeve connection joint

1.3 牛腿連接節(jié)點

牛腿具有傳力明確、施工效率高、工序簡單的優(yōu)勢，適用于廠房內(nèi)結(jié)構(gòu)的節(jié)點連接。筆者設(shè)計了一種牛腿連接梁柱節(jié)點(見圖6)，綁扎柱上牛腿錨固鋼筋，在牛腿上預(yù)埋高強螺栓，澆注混凝土完成預(yù)制柱制作。在外包混凝土梁的連接處預(yù)留出螺栓孔，將柱上預(yù)埋高強螺栓穿過梁上的螺栓孔，完成現(xiàn)場裝配連接，節(jié)點處示意圖見圖7。

圖6 牛腿連接節(jié)點示意圖Fig.6 Corbel connection joint schematic

圖7 牛腿連接節(jié)點4-4截面示意圖Fig.7 Schematic of section 4-4 of corbel connection joint

2 有限元分析

2.1 有限元模型的建立

法蘭盤為Q235B，厚30 mm，截面長×寬為460 mm×860 mm，布置12個8.8級M27高強螺栓。材料力學(xué)性能指標(biāo)見表1。

表1 力學(xué)性能指標(biāo)Table 1 Mechanical properties

預(yù)制模型中高強螺栓、外包角鋼、混凝土、法蘭盤采用C3D8R單元，縱向鋼筋與箍筋采用T3D2單元。箍筋、縱筋與混凝土梁柱之間施加“內(nèi)置”約束，外包角鋼與混凝土柱、外包鋼底板與混凝土梁、法蘭盤與混凝土梁、外包鋼底板、縱筋之間均施加“綁定”約束。法蘭盤之間利用“罰”摩擦公式，螺母與法蘭盤間定義為硬接觸。柱底端完全固定，軸壓比取0.3，即柱頂端施加2 062.8 kN的豎向軸力。梁最外端上部向下施加豎向位移260 mm。建立兩個分析步進行加載，在第一個分析步中，施加柱頂軸向壓力，在第二個分析步中，采用位移加載方式在梁端施加位移荷載。除無高強螺栓、法蘭盤部件，現(xiàn)澆節(jié)點的建模方法與上述預(yù)制節(jié)點相同。

2.2 預(yù)制與現(xiàn)澆外包鋼混凝土梁柱節(jié)點對比

預(yù)制與現(xiàn)澆外包鋼混凝土梁柱連接構(gòu)件基于梁端加載點豎向的荷載-位移曲線如圖8所示。

圖8 梁柱連接構(gòu)件荷載-位移曲線Fig.8 Load-deflection curves of beam-column members

從圖8可以看出，曲線分OA彈性階段、AB彈塑性階段與BC強化階段3個階段。對于預(yù)制連接節(jié)點，在OA彈性受力階段，曲線呈線性增長，預(yù)制連接構(gòu)件應(yīng)力云圖見圖9。在此階段，鋼骨架與混凝土協(xié)同受力。混凝土和鋼骨架應(yīng)力整體處于一個比較低的水平，鋼骨架應(yīng)力比混凝土應(yīng)力大，說明相較于混凝土，鋼骨架是主要受力構(gòu)件。梁上部對應(yīng)的法蘭盤及螺栓應(yīng)力較大，預(yù)埋梁較另一段梁的應(yīng)力大，說明法蘭盤和螺栓的剛度較大，可以將外部荷載產(chǎn)生的應(yīng)力轉(zhuǎn)移到梁端的接頭附近。

圖9 彈性階段預(yù)制構(gòu)件應(yīng)力云圖Fig.9 The stress plots of precast components in elastic stage

在AB彈塑性受力階段，預(yù)制外包鋼混凝土梁柱節(jié)點應(yīng)力云圖見圖10。在此階段，曲線呈非線性增長，預(yù)制梁受拉區(qū)混凝土達到抗拉強度，外包鋼底板與鋼筋的應(yīng)力增大，鋼骨架承擔(dān)大部分拉力。當(dāng)荷載達到極限荷載的85%左右即B點時，受拉區(qū)鋼筋出現(xiàn)部分屈服，梁端受壓區(qū)混凝土已有塑性變形，但不充分，可繼續(xù)承載。法蘭盤上應(yīng)力增大，螺栓孔周圍應(yīng)力增加，受拉區(qū)螺栓應(yīng)力隨荷載增加明顯，但連接節(jié)點未屈服，仍可繼續(xù)承載。

圖10 彈塑性階段預(yù)制構(gòu)件應(yīng)力云圖Fig.10 The stress plots of precast components in elastic-plastic stage

在BC強化階段，預(yù)制外包鋼混凝土梁柱節(jié)點應(yīng)力云圖見圖11。在此階段，梁端與柱相連接處的鋼骨架屈服面積增大，達到屈服強度，拉應(yīng)力為400 MPa。梁端受壓區(qū)混凝土應(yīng)力增大，構(gòu)件塑性變化更為明顯。荷載繼續(xù)增加，受壓區(qū)混凝土被壓碎，構(gòu)件破壞，構(gòu)件極限承載力為182.72 kN。法蘭盤出現(xiàn)屈服，栓孔周圍應(yīng)力值最大。梁受拉區(qū)螺栓與受壓區(qū)螺栓均開始產(chǎn)生不同程度的屈服。

圖11 強化階段預(yù)制構(gòu)件應(yīng)力云圖Fig.11 The stress plots of precast components in hardening stage

對于現(xiàn)澆連接節(jié)點，在OA彈性階段，構(gòu)件的變形主要取決于混凝土材料性質(zhì)，因此兩者的荷載-位移曲線變化趨勢基本相同。進入AB彈塑性階段后，因預(yù)制連接節(jié)點通過法蘭盤和螺栓連接，二者的荷載-位移曲線略有差別，但總體趨勢不變。強化階段，現(xiàn)澆、預(yù)制連接節(jié)點的受力特性基本相同，現(xiàn)澆連接構(gòu)件極限承載力為187.85 kN。預(yù)制外包鋼混凝土梁柱連接構(gòu)件與現(xiàn)澆外包鋼混凝土梁柱連接構(gòu)件承載力基本相同，可應(yīng)用于實際工程之中。

2.3 參數(shù)分析

連接板厚度及高強螺栓對梁柱節(jié)點的變形有一定影響[21]。為研究法蘭盤厚度與高強螺栓對預(yù)制外包鋼混凝土梁柱連接節(jié)點承載力及受力性能的影響，筆者共設(shè)計了10個節(jié)點模型，參數(shù)見表2。

表2 梁柱節(jié)點參數(shù)Table 2 Beam-column node parameters

2.3.1 法蘭盤厚度的影響

建立5種預(yù)制外包鋼混凝土梁柱節(jié)點模型，法蘭盤厚度分別為16 mm、22 mm、30 mm、32 mm、40 mm，其余參數(shù)相同，各模型的荷載-位移曲線見圖12。

從圖12可以看出，在彈性階段，法蘭盤較薄的構(gòu)件曲線斜率較小，說明法蘭盤厚度對構(gòu)件剛度的影響呈正相關(guān)，主要是因為厚度增加，法蘭盤截面受力面積增大。法蘭盤為30 mm厚時，屈服荷載較法蘭盤厚度為16 mm的構(gòu)件提高了14.77%，極限荷載提高了16.89%。法蘭盤為40 mm厚時，屈服荷載較法蘭盤厚度為30 mm的構(gòu)件提高了2.56%，極限荷載提高了1.45%，因此采用厚度為30 mm的法蘭盤較為合理。

圖12 不同法蘭盤厚度下的荷載-位移曲線Fig.12 Load-deflection curves under different flange thickness

2.3.2 螺栓直徑的影響

建立4種預(yù)制外包鋼混凝土梁柱節(jié)點模型，螺栓直徑分別為M20、M22、M27、M30，其余參數(shù)相同，各模型荷載-位移曲線見圖13。

圖13 不同螺栓直徑下的荷載-位移曲線Fig.13 Load-deflection curves under different diameters of bolts

從圖13可以看出，在彈性階段，螺栓直徑對構(gòu)件剛度的影響呈正相關(guān)，主要是因為直徑增加，螺栓桿截面受力面積增大。采用M27螺栓較M20螺栓屈服荷載提高39.34%，極限荷載提高32.40%。采用M30螺栓較M27螺栓屈服荷載提高1.09%，極限荷載提高2.98%。因此采用M27的高強螺栓較為合理。

2.3.3 螺栓個數(shù)的影響

建立3種預(yù)制外包鋼混凝土梁柱連接節(jié)點模型，螺栓個數(shù)分別為6個、12個、18個，其余參數(shù)相同，各模型的荷載-位移曲線見圖14。

圖14 不同螺栓個數(shù)下的荷載-位移曲線Fig.14 Load-deflection curves under different numbers of bolts

從圖14可以看出，加載初期，荷載-位移曲線斜率隨著螺栓個數(shù)的增加略有增加。彈塑性階段，各預(yù)制連接節(jié)點的荷載-位移曲線斜率相差增大，采用6個螺栓的連接節(jié)點的曲線斜率明顯小于采用12個與18個螺栓連接節(jié)點的曲線斜率，說明彈塑性階段，螺栓個數(shù)對節(jié)點剛度影響較大。

對于承載力，采用12個螺栓的連接節(jié)點屈服荷載較采用6個螺栓的屈報荷載提高了14.78%，極限荷載提高了8.35%。采用18個螺栓的連接節(jié)點屈服荷載較12個螺栓的屈報荷載提高了3.52%，極限荷載提高了1.30%。相較于6個螺栓，采用12個螺栓的法蘭盤分別在受拉區(qū)與受壓區(qū)各多設(shè)置一排受拉與受壓螺栓，承載力提高較多。而采用18個螺栓時，法蘭盤上螺栓孔總面積較大，法蘭盤強度降低，承載力增加幅度較小，因此配置12個螺栓較為合理。

3 結(jié) 論

(1)預(yù)制外法蘭盤梁柱連接節(jié)點的承載力略低于現(xiàn)澆外包鋼混凝土梁柱節(jié)點。法蘭盤與螺栓為主要受力部件，當(dāng)達到極限荷載的85%時，鋼骨架首先屈服，破壞后便于修復(fù)。

(2)法蘭盤厚度由16 mm增加到40 mm，屈服荷載增加17.33%，極限荷載增加18.34%；高強螺栓直徑由M20增加到M30，屈服荷載增加40.43%，極限荷載增加35.38%；數(shù)量由6個增加到18個，屈服荷載增加18.31%，極限荷載增加9.65%。

(3)在實際工程中，法蘭盤厚度取30 mm、配置12個M27高強螺栓較為合理。