郭建營, 張傳琪, 完海鷹, 陳安英

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)相比具有輕質(zhì)高強的優(yōu)點,隨著綠色建筑的發(fā)展及裝配結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用,裝配式鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點及其研究成為一個熱點課題。文獻(xiàn)[1]采用構(gòu)件法,以“T形件”作為基礎(chǔ),對各個構(gòu)件的剛度進行求解,并提出在負(fù)彎矩作用下端板與半剛性鋼管混凝土接頭的初始剛度計算公式;文獻(xiàn)[2]進行帶“保險絲”的高強鋼節(jié)點低周往復(fù)試驗,結(jié)果表明,高強鋼具有優(yōu)異的彈性變形能力,“保險絲”連接板具有控制節(jié)點應(yīng)力、保護節(jié)點框架的作用,具有優(yōu)異的抗震性能;文獻(xiàn)[3]根據(jù)是否有削弱段及削弱段的位置,設(shè)計3種帶懸臂梁的Z 形裝配式拼接節(jié)點,并通過靜力試驗與有限元模擬研究節(jié)點的破壞模式與受力性能,試驗結(jié)果與模擬計算值吻合良好,Z 形節(jié)點擁有良好的力學(xué)性能;文獻(xiàn)[4]對支管受拉、受壓圓鋼管混凝土Y形節(jié)點在不同失效方式下的受力特性與破壞機制進行分析,并根據(jù)其在不同失效方式下的破壞機制和受力狀況,建立一個合理的計算模型,給出支管截面形狀為圓形或矩形的圓鋼管混凝土Y形節(jié)點極限承載力的計算公式,并進行試驗驗證;文獻(xiàn)[5]對4根圓套圓空心鋼管混凝土柱與鋼梁單邊螺栓端板連接節(jié)點進行擬靜力測試,并對端板形狀、柱橫截面的空心率等因素進行研究;文獻(xiàn)[6]對采用單側(cè)高強度螺栓連接的鋼管混凝土柱節(jié)點進行擬靜力加載與有限元分析,并對比分析其滯回曲線和失效模式,以驗證有限元分析模型的正確性;文獻(xiàn)[7-8]利用ABAQUS軟件對鋼管混凝土L形柱-H型鋼梁Z字形節(jié)點試驗數(shù)據(jù)進行驗證,得到結(jié)構(gòu)的載荷-位移曲線、骨架曲線、破壞模式及力學(xué)性能指標(biāo)。隨著高層裝配式住宅的發(fā)展,同時為了盡可能地利用室內(nèi)空間、提升建筑美感,異形柱也應(yīng)運而生。本文將異形柱與裝配式鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點結(jié)合,基于滑移耗能思想,提出一種多腔鋼管混凝土T形柱H型鋼梁裝配式節(jié)點,通過建立的有限元模型對該節(jié)點6個試件的抗震性能指標(biāo)進行對比分析。

1 裝配式節(jié)點設(shè)計與有限元模型

1.1 裝配式節(jié)點構(gòu)造

該節(jié)點由帶懸臂梁段多腔鋼管混凝土T形柱、普通梁段及連接件組成。懸臂梁和多腔鋼管混凝土T形柱在工廠提前焊接預(yù)制,連接件由高強螺栓、腹板連接件和翼緣連接板構(gòu)成。T形柱H型鋼梁裝配式節(jié)點構(gòu)造模型如圖1所示。

圖1 T形柱H型鋼梁裝配式節(jié)點構(gòu)造模型

1.2 試件設(shè)計

T形柱由5個腔體組成,每個腔體為邊長150 mm的正方形,鋼管厚度為5 mm。梁采用H型鋼,規(guī)格為H200 mm×150 mm×12 mm×18 mm;螺栓采用10.9級M24,鋼材采用Q345B。梁長為1 350 mm,柱高為3 000 mm。設(shè)計6個試件,研究連接件厚度與連接方式對節(jié)點力學(xué)性能的影響。試件蓋板厚度與腹板尺寸見表1所列。

表1 試件蓋板厚度與腹板尺寸

1.3 材料本構(gòu)模型

混凝土本構(gòu)模型采用混凝土塑性損傷模型,塑性參數(shù)取值見表2所列。表2中,σb0/σc0為混凝土的雙軸受壓與單軸受壓極限壓強比。鋼材本構(gòu)模型采用彈-塑性強化模型,鋼材彈性模量為206 GPa,泊松比為0.3,其他力學(xué)性能參數(shù)取值見表3所列。

表2 混凝土材料塑性參數(shù)取值

表3 鋼材部分力學(xué)性能參數(shù)取值

1.4 網(wǎng)格劃分、接觸定義及邊界條件

網(wǎng)格劃分采用實體單元C3D8R,考慮摩擦及螺桿與孔壁接觸,摩擦系數(shù)為0.3;鋼管與混凝土摩擦系數(shù)[9]為0.25。有限元模型如圖2所示。

圖2 T形柱H型鋼梁裝配式節(jié)點有限元模型

采用耦合約束將柱頂與柱底截面分別耦合至形心參考點,限制參考點x、y、z3個方向的平動自由度,允許柱頂與柱底發(fā)生轉(zhuǎn)角位移。對鋼梁施加側(cè)向約束,限制沿y方向的位移與轉(zhuǎn)角,防止鋼梁發(fā)生平面外失穩(wěn)破壞。

1.5 加載制度

將鋼梁截面耦合至形心參考點,控制層間位移角θ,將低周往復(fù)荷載作用于參考點。在θ=0.003 75 rad、θ=0.005 00 rad、θ=0.007 50 rad下循環(huán)6次,在θ=0.010 rad下循環(huán)4次,在θ=0.015 rad、θ=0.020 rad下循環(huán)2次,然后以θ=0.010 rad的增量加載,每級加載循環(huán)2次。加載制度下的梁端位移、層間位移角變化如圖3所示,假定梁端荷載降至峰值承載力的85%時,結(jié)構(gòu)就會發(fā)生失效。螺栓預(yù)緊力為225 kN,柱端軸壓比為0.2。

圖3 加載制度下的梁端位移、層間位移角變化

2 數(shù)值分析結(jié)果

2.1 節(jié)點受力過程

受力過程分4個階段: ① 彈性階段,拼接部分未產(chǎn)生滑移,節(jié)點僅有微小的整體性轉(zhuǎn)動; ② 滑動階段,連接件與梁產(chǎn)生滑動,當(dāng)孔壁與螺栓接觸擠壓后滑動減小; ③ 強化階段,連接件出現(xiàn)塑性變形,栓桿與孔壁之間的擠壓力增大,材料進入強化階段;④ 承載力下降階段,蓋板大面積彎曲,達(dá)到極限承載力,普通梁段第1排螺栓處蓋板出現(xiàn)頸縮,最外排螺栓孔部分區(qū)域產(chǎn)生塑性變形,節(jié)點承載力降低。除懸臂梁螺栓處部分區(qū)域產(chǎn)生塑性變形,梁柱大部分區(qū)域保持彈性狀態(tài),無明顯損壞。

2.2 滯回曲線

6個試件的滯回曲線如圖4所示。加載初始階段節(jié)點處于彈性狀態(tài),滯回曲線保持直線。當(dāng)位移逐漸增大,連接件產(chǎn)生滑動,曲線斜率逐漸減小、出現(xiàn)微弱捏縮現(xiàn)象,節(jié)點承載力增速減慢。節(jié)點屈服前滯回曲線呈飽滿梭形,此時位移荷載較小,螺桿與孔壁承壓受力較小,耗能主要由蓋板塑性變形承擔(dān)。加載后期,螺栓孔壁擠壓、摩擦滑移和蓋板塑性變形共同耗能,蓋板進入強化階段,螺桿與孔壁之間的擠壓力增加,節(jié)點剛度增加,承載力逐漸增大;承載力達(dá)到峰值后逐漸下降,當(dāng)蓋板大面積達(dá)到極限應(yīng)變,產(chǎn)生嚴(yán)重彎曲現(xiàn)象時,承載力下降至峰值的85%,認(rèn)為節(jié)點破壞、不適于繼續(xù)承載。從圖4可以看出:試件BASE1、BASE2滯回曲線最飽滿,這是由于腹板連接件使得剛度增加,摩擦力增加,耗能能力增強;試件BASE-GB1、BASE滯回曲線較為飽滿,表明抗震能力良好;隨著蓋板厚度持續(xù)增大,滯回曲線捏縮逐漸明顯,使懸臂梁端更多區(qū)域進入塑性變形。因此,為了保護節(jié)點核心區(qū),實現(xiàn)震后快速修復(fù),建議連接蓋板厚度取12～14 mm。

圖4 6個試件的滯回曲線

2.3 骨架曲線

6個試件的骨架曲線如圖5所示。由圖5可知,節(jié)點受力可以分為4個狀態(tài),即彈性狀態(tài)、滑移狀態(tài)、承載力強化狀態(tài)與承載力下降狀態(tài)。彈性狀態(tài)時骨架曲線為直線,試件曲線的斜率大致相近,試件的初始剛度一致;進入滑移狀態(tài)后骨架曲線斜率逐漸減小,6個試件的曲線斜率稍有差異;滑移增加使螺桿與孔壁接觸擠壓,節(jié)點進入承載力強化狀態(tài),骨架曲線斜率逐漸平穩(wěn);蓋板大面積進入塑性階段,產(chǎn)生嚴(yán)重彎曲現(xiàn)象,節(jié)點承載力逐漸降低至峰值承載力85%以下,結(jié)構(gòu)失效、發(fā)生破壞。

圖5 6個試件的骨架曲線

以試件BASE-GB1為例,在梁端位移9.5 mm(θ=0.006 rad)之前,節(jié)點大致保持彈性狀態(tài),骨架曲線為直線,然后出現(xiàn)明顯滑移,曲線斜率逐漸減小。在梁端位移21.4 mm(θ=0.014 rad)時,節(jié)點屈服,曲線斜率繼續(xù)減小;鋼結(jié)構(gòu)大震作用下的彈塑性層間位移角限值為0.020 rad,說明連接件的滑移耗散能量使節(jié)點具有震后修復(fù)的功能。在梁端位移45.4 mm(θ=0.030 rad)時,栓桿與孔壁之間的擠壓力增大,曲線斜率逐漸增大,試件承載力緩慢提高,此時梁截面均未見明顯塑性變形。在梁端位移61.5 mm(θ=0.040 rad)時,節(jié)點達(dá)到峰值承載力。在梁端位移78.3 mm(θ=0.051 rad)時,節(jié)點承載力下降到峰值的85%,不適于繼續(xù)承載,節(jié)點破壞。

2.4 性能指標(biāo)

6個試件的力學(xué)性能指標(biāo)取值見表4所列。表4中:Py為屈服荷載;Δy為屈服位移;Pu為極限荷載;Δu為極限位移;u為位移延性系數(shù),u=Δu/Δy。由表4可知,隨著蓋板厚度增加,節(jié)點剛度、屈服荷載與極限荷載增大,延性降低。試件BASE、BASE-GB1延性較好,試件BASE-GB2、BASE-GB3的位移延性系數(shù)均未超過3.0,說明蓋板厚度不宜過大。試件BASE1、BASE2與BASE相比,屈服荷載和極限荷載增加,延性保持良好。

試件BASE1的承載力與延性均優(yōu)于BASE2,原因是當(dāng)腹板面積過大、與翼緣接觸頂緊時,荷載會更多地通過腹板傳遞給懸臂梁,使核心區(qū)提前進入塑性,削弱翼緣蓋板的耗能保護作用。因此,腹板面積不宜過大,應(yīng)與翼緣保持一定的緩沖距離。

節(jié)點初始剛度K0=Mj/φ,Mj為初始彎矩,φ為梁柱相對轉(zhuǎn)角。根據(jù)文獻(xiàn)[10],K0≥25EIb/l(E為材料的彈性模量,Ib為節(jié)點連接件的截面剛度,l為計算長度)屬于剛性連接,試件BASE-GB2、BASE-GB3加載下K0均大于25EIb/l,節(jié)點屬于剛性連接。

2.5 轉(zhuǎn)動能力

6個試件轉(zhuǎn)動能力的模擬結(jié)果見表5所列。

表5 6個試件轉(zhuǎn)動能力的模擬結(jié)果 單位:rad

表5中:θu為極限轉(zhuǎn)角,即Δu對應(yīng)的試件轉(zhuǎn)角;θy為屈服轉(zhuǎn)角,即Δy對應(yīng)的試件轉(zhuǎn)角;θp為塑性轉(zhuǎn)角,θp=θu-θy。當(dāng)θp≥0.03 rad時符合對剛節(jié)點的設(shè)計規(guī)定。由表5可知,節(jié)點的塑性轉(zhuǎn)動能力在正向與負(fù)向大致相同,試件具有良好的轉(zhuǎn)動能力。

3 結(jié) 論

本文基于滑移耗能思想,提出一種多腔鋼管混凝土T形柱H型鋼梁裝配節(jié)點,并對其抗震性能指標(biāo)進行數(shù)值模擬研究,得到以下結(jié)論:

1) 多腔鋼管混凝土T形柱H型鋼梁裝配節(jié)點的滯回曲線呈飽滿的梭形,抗震性能良好。節(jié)點在正、負(fù)向具有相似的力學(xué)性能與優(yōu)異的轉(zhuǎn)動能力,具有震后可修復(fù)功能。

2) 腹板連接件可以提高節(jié)點初始剛度、屈服荷載與極限荷載,同時使節(jié)點具有良好的延性。腹板連接件面積不宜過大,應(yīng)該與翼緣保持一定的緩沖距離。

3) 增大翼緣連接蓋板厚度,節(jié)點屈服荷載與極限荷載增加,延性降低。建議連接蓋板厚度取12～14 mm,使節(jié)點具有可靠的承載力與優(yōu)異的變形能力。