黃志鵬, 蔣 慶,2, 王瀚欽, 宣典春

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.土木工程結(jié)構(gòu)與材料安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230009)

裝配式鋼結(jié)構(gòu)具有重量輕、強(qiáng)度高、抗震性能好、施工速度快、工業(yè)化程度高等特點(diǎn)[1],符合建筑工業(yè)化和住宅產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展方向。在高層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑中,作為主要抗側(cè)力構(gòu)件的鋼管混凝土柱,通常需要較大的截面尺寸,以滿足整體結(jié)構(gòu)的剛度和承載力需求,從而導(dǎo)致建筑室內(nèi)鋼梁及梁柱節(jié)點(diǎn)突出墻體的現(xiàn)象。為了解決上述問題,學(xué)者們提出不同類型的鋼管混凝土柱,如鋼管混凝土異形柱、鋼管混凝土扁柱、鋼管混凝土柱等,并提出相應(yīng)的梁柱節(jié)點(diǎn)[2-8]。

文獻(xiàn)[2]分析鋼管混凝土扁柱的優(yōu)缺點(diǎn),并提出一種扁鋼管混凝土柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域附加外套板增強(qiáng)、穿芯高強(qiáng)對(duì)拉螺栓連接節(jié)點(diǎn)形式,通過擬靜力試驗(yàn)研究和有限元分析,驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)剛性連接,軸壓比、梁端板厚度以及加勁肋厚度對(duì)節(jié)點(diǎn)的承載力均有一定影響;文獻(xiàn)[3]提出一種矩形鋼管混凝土柱-H型鋼梁外頂板式節(jié)點(diǎn),并對(duì)7個(gè)該種節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)研究,結(jié)果表明節(jié)點(diǎn)滿足“強(qiáng)節(jié)點(diǎn),弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)要求,且增大頂板厚度或長邊高度可提高節(jié)點(diǎn)承載力,同時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制焊接質(zhì)量以避免發(fā)生焊縫破壞;文獻(xiàn)[4-6]對(duì)T型、十字型等鋼管混凝土異形柱與鋼梁連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行低周往復(fù)加載試驗(yàn)和有限元分析,得出所設(shè)計(jì)的鋼管混凝土異形柱與鋼梁連接節(jié)點(diǎn)抗震性能較好的結(jié)論;文獻(xiàn)[7]提出一種適用于鋼結(jié)構(gòu)住宅的壁式鋼管混凝土柱(walled concrete-filled steel tubular column,WCFT column),通過對(duì)WCFT column的低周反復(fù)加載試驗(yàn)及有限元分析,得出該種壁式柱具有良好的抗震性能的結(jié)論;文獻(xiàn)[8] 基于文獻(xiàn)[7]的研究提出一種WCFT column與鋼梁連接的側(cè)板式節(jié)點(diǎn),并通過3個(gè)節(jié)點(diǎn)試件的擬靜力試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),該種壁式鋼管混凝土柱與鋼梁連接的側(cè)板式節(jié)點(diǎn)具有較理想的抗震性能,可以應(yīng)用于裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑。

本文針對(duì)矩形截面的鋼管混凝土扁柱,提出一種新型的梁柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造,采用ABAQUS有限元軟件分析節(jié)點(diǎn)的抗震性能,驗(yàn)證該構(gòu)造可以實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)節(jié)點(diǎn),弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)目標(biāo),并進(jìn)一步研究節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、軸壓比等參數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響。

1 節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

本文提出的鋼管混凝土扁柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)構(gòu)造如圖1所示。鋼管混凝土扁柱由角鋼和豎向隔板焊接組成,形成多腔扁柱構(gòu)造;鋼梁部分焊接在鋼管混凝土柱壁上,并且在梁端上下翼緣處分別焊接蓋板,在加勁肋處焊接梁端封板。

圖1 節(jié)點(diǎn)構(gòu)造示意圖

本文設(shè)計(jì)研究4個(gè)鋼管混凝土扁柱-鋼梁節(jié)點(diǎn),除了鋼梁對(duì)稱型中節(jié)點(diǎn)JD1外,還有鋼梁錯(cuò)層中節(jié)點(diǎn)JD2、鋼梁弱軸方向?qū)ΨQ型中節(jié)點(diǎn)JD3以及弱軸方向鋼梁偏心中節(jié)點(diǎn)JD4。

4個(gè)節(jié)點(diǎn)柱截面尺寸均為450 mm×150 mm,柱強(qiáng)軸與柱弱軸方向節(jié)點(diǎn)在鋼梁截面尺寸上有細(xì)微差別,柱強(qiáng)軸方向鋼梁截面尺寸為350 mm×150 mm×6 mm×10 mm,而柱弱軸方向鋼梁截面尺寸為250 mm×150 mm×6 mm×10 mm。各組節(jié)點(diǎn)上、下蓋板尺寸一致,鋼管柱壁厚度均為8 mm。內(nèi)部隔板厚度與上、下蓋板尺寸如圖2、圖3所示,圖2的單位為mm,圖3中,鋼管柱壁厚度為10 mm。模型尺寸參數(shù)見表1所列。

表1 模型尺寸參數(shù) 單位:mm

圖2 鋼管混凝土柱剖面圖

圖3 上、下蓋板尺寸

2 有限元模型建立

2.1 單元類型與網(wǎng)格劃分

本文采用大型有限元軟件ABAQUS對(duì)上述4個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行非線性有限元分析,模型按照實(shí)際設(shè)計(jì)構(gòu)件尺寸參數(shù)進(jìn)行建模。

有限元模型中的鋼管柱、鋼梁、上蓋板以及下蓋板等鋼構(gòu)件與混凝土部分均采用八節(jié)點(diǎn)六面體線性減縮積分單元C3D8R。網(wǎng)格尺寸在一定程度上會(huì)影響模型計(jì)算的收斂性和結(jié)果的準(zhǔn)確性,經(jīng)過多次試算最終確定鋼梁部分網(wǎng)格邊長為30 mm,鋼管混凝土柱網(wǎng)格邊長為50 mm,其余部件網(wǎng)格邊長為25 mm。

2.2 材料本構(gòu)模型與相互作用

本文所有鋼構(gòu)件采用的鋼材強(qiáng)度均為Q235B,填充混凝土強(qiáng)度為C30。在ABAQUS中,鋼材采用混合強(qiáng)化本構(gòu)模型并參考文獻(xiàn)[9]的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,彈性模量取Es=200 GPa,泊松比取0.3,其余參數(shù)取值見表2所列。鋼管混凝土柱中的核心混凝土材料本構(gòu)模型采用文獻(xiàn) [10]中塑性損傷模型參數(shù)計(jì)算,泊松比取0.2。有限元模型采用tie約束模擬實(shí)際焊接連接。鋼管柱與填充混凝土接觸面切向定義的摩擦系數(shù)參考文獻(xiàn)[11]推薦的鋼材與混凝土的界面摩擦系數(shù),取值范圍為0.25,法向定義為“硬接觸”。

表2 鋼材混合強(qiáng)化本構(gòu)模型參數(shù)

2.3 邊界條件與加載方式

本文的有限元模型依據(jù)設(shè)計(jì)構(gòu)件試驗(yàn)進(jìn)行加載,在柱頂施加水平往復(fù)位移,柱底設(shè)置鉸支座,鋼梁梁端設(shè)置鉸支撐。在ABAQUS有限元軟件中,通過約束柱底X、Y、Z方向的平動(dòng)自由度、梁端Y、Z方向自由度,模擬試驗(yàn)的邊界條件,并且在梁翼緣部分區(qū)域設(shè)置Z方向的平面外約束,防止試件發(fā)生平面外位移,邊界條件如圖4所示。

圖4 有限元模型示意圖

有限元模型的加載方式如下:首先在指定位置施加軸壓力(軸壓比n=0.2),在整個(gè)加載過程中保持軸壓力不變;然后在有限元模型中的柱頂施加X方向的低周往復(fù)荷載。加載制度參考文獻(xiàn) [12]采用位移加載,位移角分別取0.375%、0.500%、0.750%、1%、2%、3%、4%所對(duì)應(yīng)的位移,具體如圖5所示。

圖5 加載制度示意圖

因?yàn)樵贏BAQUS有限元模型中沒有考慮金屬的累積損傷,所以軟件中每個(gè)加載級(jí)只加載1圈。

2.4 有限元驗(yàn)證模型

為了驗(yàn)證有限元建模方式的正確性,本文選取文獻(xiàn)[13]中的SJ1作為驗(yàn)證模型。運(yùn)用上述建模方式以及材料本構(gòu)進(jìn)行建模,模擬結(jié)果的滯回曲線與參考文獻(xiàn)的試驗(yàn)結(jié)果滯回曲線以及與試驗(yàn)現(xiàn)象的對(duì)比如圖6、圖7所示。

圖6 荷載-位移曲線對(duì)比結(jié)果

圖7 試驗(yàn)現(xiàn)象與模擬結(jié)果對(duì)比

從圖6可以看出,由于有限元分析沒有考慮焊縫開裂的情況,模擬得到的滯回曲線更為飽滿,沒有出現(xiàn)“捏縮”現(xiàn)象;除此之外,模擬滯回曲線的剛度和峰值承載力與試驗(yàn)曲線吻合較好。從圖7可以看出,模型屈服應(yīng)力發(fā)生位置與試驗(yàn)鋼梁塑性鉸產(chǎn)生位置大致相符,說明本文的有限元建模方式具有合理性。

3 有限元模擬結(jié)果與分析

3.1 節(jié)點(diǎn)破壞模式

各個(gè)節(jié)點(diǎn)的有限元模擬結(jié)果Mises應(yīng)力云圖如圖8所示。

圖8 節(jié)點(diǎn)Mises應(yīng)力云圖

從圖8可以看出,JD1～JD4 4個(gè)節(jié)點(diǎn)在加載過程中梁端上、下蓋板外側(cè)翼緣局部達(dá)到屈服應(yīng)力,同時(shí)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)域隔板未達(dá)到屈服應(yīng)力。由此可以得出,4個(gè)節(jié)點(diǎn)的破壞模式均為鋼梁先發(fā)生塑性鉸,符合“強(qiáng)柱弱梁,強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的抗震設(shè)計(jì)要求。

對(duì)于弱軸方向梁偏心節(jié)點(diǎn)JD4,根據(jù) Mises應(yīng)力云圖可以發(fā)現(xiàn),在梁翼緣局部達(dá)到屈服應(yīng)力的同時(shí),鋼管混凝土扁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域的柱壁也達(dá)到屈服應(yīng)力。ABAQUS有限元模擬的柱端荷載-位移(F-Δ)滯回曲線如圖9所示。

圖9 節(jié)點(diǎn)滯回曲線和骨架曲線

圖9中,4個(gè)節(jié)點(diǎn)的滯回曲線均呈現(xiàn)為飽滿的梭形,說明本文設(shè)計(jì)的鋼管混凝土扁柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)具有良好的滯回耗能能力。從圖9a、圖9b可以看出,柱強(qiáng)軸方向節(jié)點(diǎn)JD1、JD2的滯回曲線幾乎重合,柱弱軸方向節(jié)點(diǎn)JD3、JD4也同樣如此,說明鋼梁位置變化對(duì)于節(jié)點(diǎn)滯回性能的影響較小。

從圖9c可以看出:JD1正向最大承載力約為195.9 kN,負(fù)向最大承載力約為-203.7 kN;JD2正向最大承載力約為201.1 kN,負(fù)向最大承載力約為-208.4 kN;JD3正向最大承載力約為81.0 kN,負(fù)向最大承載力約為-83.5 kN;JD4正向最大承載力約為77.5 kN,負(fù)向最大承載力約為-79.9 kN。

3.2 軸壓比對(duì)節(jié)點(diǎn)受力性能的影響

為了研究柱端軸壓比對(duì)節(jié)點(diǎn)受力性能的影響,將軸壓比分別取為0.1、0.3、0.4(BASE模型軸壓比n為0.2),在JD1～JD4的BASE模型基礎(chǔ)上根據(jù)不同軸壓比改變?cè)谥斒┘拥妮S力,并且保持其他參數(shù)不變的情況下進(jìn)行有限元模擬運(yùn)算。最終得到不同軸壓比下各節(jié)點(diǎn)的荷載-位移曲線,結(jié)果如圖10所示。

圖10 JD1～JD4在不同軸壓比下的荷載-位移曲線

從圖10可以看出,隨著軸壓比從0.1提升至0.4,承載力隨之不斷減小。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是鋼管柱的P-Δ效應(yīng),即隨著豎向軸力的增大,由軸力產(chǎn)生的附加彎矩隨之增大,同時(shí)柱端承載力隨之減小。節(jié)點(diǎn)模型受力簡圖如圖11所示,節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)所受外力為豎向軸力N、水平推力P,對(duì)柱底支座取矩,根據(jù)彎矩平衡可得:

圖11 節(jié)點(diǎn)受力簡圖

PLc+NΔ=FLLb+FRLb

(1)

其中:Lc為柱頂受力點(diǎn)距柱底鉸支座軸心距離;Δ為柱頂加載點(diǎn)水平位移;FL、FR為鋼梁兩側(cè)支座處反力;Lb為鋼梁支座距柱子豎向軸線距離。若外力產(chǎn)生彎矩不變,在同樣的水平位移Δ下,當(dāng)柱頂豎向軸力N提高,水平推力P會(huì)相應(yīng)下降,因此柱端承載力也隨之下降。柱端豎向軸力以軸壓比0.1為基準(zhǔn),各節(jié)點(diǎn)在不同軸壓比下模擬柱端峰值承載力差值與實(shí)際計(jì)算峰值承載力差值,對(duì)比結(jié)果見表3所列。

表3 軸壓比提高對(duì)承載力的影響

表3中,以n=0.1為基準(zhǔn),位移為116 mm。從表3可以看出,模擬值與計(jì)算值吻合良好,說明節(jié)點(diǎn)的柱端承載力下降是由于鋼管柱的P-Δ效應(yīng)導(dǎo)致的。

3.3 梁端豎向加勁肋對(duì)節(jié)點(diǎn)受力性能的影響

結(jié)合有限元模擬結(jié)果的應(yīng)力云圖,節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中主要發(fā)生在鋼梁與鋼管柱壁連接處。為了緩解梁柱連接處應(yīng)力集中的現(xiàn)象,將梁端蓋板替換為加勁肋構(gòu)造。

JD1～JD4改為加勁肋構(gòu)造后的荷載-位移曲線如圖12所示。

圖12 JD1～JD4在加勁肋構(gòu)造下的荷載-位移曲線

從圖12可以看出:將鋼管混凝土扁柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)中的梁端蓋板改為豎向加勁肋構(gòu)造后,節(jié)點(diǎn)的滯回曲線趨勢(shì)沒有明顯變化,說明梁端加勁肋構(gòu)造對(duì)于節(jié)點(diǎn)滯回性能沒有明顯影響;同時(shí)豎向加勁肋構(gòu)造對(duì)于節(jié)點(diǎn)的承載力影響亦不明顯。

模型JD1蓋板構(gòu)造與加勁肋構(gòu)造等效塑性應(yīng)變(equivalent plastic strain,PEEQ)分布對(duì)比如圖13所示。從圖13可以看出,加勁肋構(gòu)造有效緩解了梁柱連接處應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

圖13 模型JD1蓋板構(gòu)造、加勁肋構(gòu)造PEEQ分布對(duì)比

3.4 豎向隔板削弱厚度的影響

對(duì)于鋼管混凝土扁柱構(gòu)件,弱軸方向相較于強(qiáng)軸方向的抗彎剛度有一定程度的削減,因此弱軸方向的節(jié)點(diǎn)抗震性能一般低于強(qiáng)軸方向。

為了研究鋼管混凝土扁柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)在弱軸方向的豎向隔板對(duì)于節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響,將JD3、JD4的隔板厚度削弱至6 mm,并在不同節(jié)點(diǎn)構(gòu)造下進(jìn)行模擬計(jì)算。

JD3柱端位移加載至29 mm時(shí)不同板厚及構(gòu)造下的Mises應(yīng)力云圖、節(jié)點(diǎn)的滯回曲線如圖14、圖15所示。從圖14、圖15可以看出,在加載至相同位移條件下,隔板削弱至6 mm的蓋板構(gòu)造節(jié)點(diǎn)核心區(qū)域隔板均已達(dá)到材料屈服狀態(tài)。

圖14 JD3豎向隔板Mises應(yīng)力云圖

圖15 JD3不同節(jié)點(diǎn)構(gòu)造及豎向隔板厚度滯回曲線

該現(xiàn)象說明:豎向隔板厚度對(duì)于節(jié)點(diǎn)的抗震性能有明顯影響;同時(shí),將蓋板構(gòu)造改為豎向加勁肋構(gòu)造后,由于加勁肋增加了節(jié)點(diǎn)域范圍,節(jié)點(diǎn)核心區(qū)域隔板應(yīng)力明顯減小。

4 結(jié) 論

1) 本文提出的鋼管混凝土扁柱-鋼梁連接節(jié)點(diǎn)在柱端水平荷載作用下,鋼梁首先形成塑性鉸,節(jié)點(diǎn)域處于彈性狀態(tài),可以滿足“強(qiáng)節(jié)點(diǎn),弱構(gòu)件”的抗震設(shè)計(jì)要求;節(jié)點(diǎn)滯回曲線均為較飽滿的梭形,具有良好的滯回性能。由于P-Δ效應(yīng)的存在,隨著柱端軸壓比由0.1提高到0.4,柱端的峰值承載力隨之遞減。

2) 通過對(duì)鋼管扁柱與鋼梁之間的連接構(gòu)造分析可以看出,將蓋板構(gòu)造改為豎向加勁肋構(gòu)造可以有效緩解梁柱連接處的應(yīng)力集中。

3) 將柱弱軸方向節(jié)點(diǎn)JD3的豎向隔板厚度削弱后發(fā)現(xiàn),節(jié)點(diǎn)的承載力發(fā)生一定程度下降,因此豎向內(nèi)隔板的厚度對(duì)鋼管混凝土扁柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)的抗震性能有較大的影響。