钢管混凝土翼缘削弱外加强环式节点受力性能研究＊

李成玉 李 睿 郭耀杰

（武汉科技大学城市建设学院1） 武汉 430070） （武汉大学土木建筑工程学院2） 武汉 430072）

目前，翼缘削弱设计还只应用于钢框架结构中，在钢管混凝土结构中尚较少有相关的应用和研究［1］.笔者的相关研究表明，在静力加载时，加强环式节点的破坏多发生在翼缘与环板接合部位，以及柱壁与环板的连接焊缝处；在反复荷载作用下，节点域处的钢管发生鼓胀，试验时节点破坏多是发生在环与柱管的连接焊缝上.这些区域发生破坏都将直接导致节点域毁灭性的撕裂，以致节点域丧失工作能力，无法修补，其破坏后果甚至比钢框架节点的破坏后果还要严重.究其原因，主要是通过普通外加强环式节点连接的钢管混凝土－钢梁框架，其塑性铰不可能先发生在梁上，相反，结构的塑性域首先出现在节点域［2］.这是与“强节点、弱构件”的设计原则相悖的.因此，本文尝试对加强环式节点进行翼缘削弱设计，并分析其受力性能，为工程应用提供参考.图1是圆弧型加强环式节点的翼缘削弱节点设计示意图［3］.

图1 钢管混凝土结构梁柱节点翼缘削弱设计

图2 翼缘削弱钢管混凝土梁柱节点有限元模型

1 翼缘削弱加强环节点应力分布

图2为翼缘削弱加强环节点的有限元模型.不考虑焊缝开孔.对此模型进行有限元分析，得到节点的应力分布云图，见图3.

从应力云图可以看到，在环板的危险截面区域以及翼缘削弱部位都出现了高应力区.在梁受拉翼缘的中心线上沿梁长度方向设置一条路径，读取路径上的等效应力，见图4.结果发现，在经过翼缘削弱处理的梁面上，出现了塑性区，也即是说在梁的削弱部位有塑性铰出现.对比梁翼缘边线与中心线路径上的应力值，可见，在梁的削弱部位和环板危险断面都出现了塑性.图5为采用不同梁长的节点模型在2条路径上所对应的应力值，LA为长梁节点模型的中心路径，SW 为短梁节点模型的边缘路径，依此类推.图中显示，长梁节点在梁削弱区的应力值要高于短梁节点对应区域的应力值，但在环板上的应力值却没有改变，显然，通过改变梁的长度，可以使梁上的塑性提前出现.但在实际工程中随意改变梁长是不现实的.当然，根据上述的研究结果，通过改变环板宽度可以改变环板应力分布，那么适当设置环板宽度，可以实现梁翼缘削弱部位先出现塑性（见图3）.

对比翼缘削弱节点和普通节点环板危险断面上的应力，可以看出，翼缘削弱节点在环板危险断面上的应力值要小于普通节点的应力值，见图6.对比环板转角部位的塑性变形，也可以看出翼缘削弱节点在该处的塑性发展要小于普通节点，见图7.这表明通过翼缘削弱处理的节点，改善了环板的应力分布.对比翼缘削弱节点环板和普通节点环板的应力分布，见图8.可以看出，翼缘削弱由于梁翼缘的削弱，使得应力流提前发生了转折，当应力流进入环板以后，不再象普通节点那样，在转角处出现高度转折和密集的应力流，亦即通过翼缘削弱处理的节点，的确改善了环板的应力分布.

图3 翼缘削弱节点应力云图

图4 梁翼缘沿梁长应力分布

图5 不同梁长节点相关路径应力分布

图6 节点危险断面应力对比

图7 环板转角处塑性变形对比

2 翼缘削弱加强环节点抗弯刚度

笔者曾采用单因素法分析节点刚度时设计了大量的节点模型，对其中的考虑环板宽度以及考虑柱径变化的两组节点进行翼缘削弱改造，得到的节点相对刚度要比普通节点相对刚度高.

图10给出了两类节点单调荷载作用下的梁端荷载－位移关系（P－Δ）曲线，环板宽度分别为80，100mm.在加载初期，两类节点的P－Δ曲线是重合的，表明在弹性阶段，翼缘削弱对节点整体刚性没有影响；加载继续，P－Δ曲线进入非线性状态，翼缘削弱节点其后的曲线几乎是水平的，而普通节点的曲线在翼缘削弱节点的曲线之上，且呈缓慢上升之势.显然，由于翼缘部位的削弱，降低了节点的极限承载力，但这正是翼缘削弱设计的目的.也就是说，通过预先在梁的某个部位，预先设置一个薄弱区域，在受力时，让这个区域首先进入屈服状态，以致加载不能继续，从而达到保护节点域的目的.那么，以上P－Δ曲线表明，翼缘削弱节点设计的目的基本达到了.

图8 环板应力流对比分析

图9 同心圆弧形翼缘削弱节点相对刚度

图10 单调荷载作用下的梁端荷载－位移关系（P－Δ）曲线

3 翼缘削弱加强环节点的抗震性能

设计了两个翼缘削弱节点，进行反复荷载作用下的抗震性能模拟.节点参数见表1.得到的滞回曲线如图11～12所示.节点的耗能系数分别为2.4和2.56，比对应的普通节点的耗能系数都要大.

表1 反复荷载数值模拟节点模型参数表

翼缘削弱节点的梁端荷载－位移滞回曲线饱满，几次循环之间重合得非常好，看不出刚度退化迹象.从柱壁滞回曲线来看，翼缘削弱节点在反复荷载作用下，柱管变形量很小.环板宽度为80 mm的节点，柱壁最大变形为2.5mm；环板宽度为120mm的节点，柱壁最大变形仅为1.2mm.

再看120mm环宽翼缘削弱节点的塑性扩展过程，见图13.在第2荷载步（即梁端加载第1荷载步，总荷载步第1步为柱顶加载），环板转角有塑性出现，对于同心圆弧型节点，这是不可避免的.循环加载至第4荷载步，在梁面削弱部位中部也出现了塑性，至第12步，梁面塑性累积程度比环板转角处大.实际上，在整个加载过程中，环板上的塑性仅在转角部位存在，在环板上并没有出现贯穿的塑性带.显然，经翼缘削弱改造的节点，可以实现在梁上出现塑性铰.

图11 翼缘削弱节点梁端荷载－位移滞回曲线

图12 翼缘削弱节点梁端荷载－柱壁位移滞回曲线

图13 翼缘削弱节点塑性扩展分析

综上分析，经翼缘削弱改造的节点，通过改变环板宽度或者调整梁的长度，可以实现在梁上出现塑性铰，而环板上塑性发展较小.在反复荷载作用下，节点的滞回曲线饱满，没有刚度退化现象出现.在循环过程中，柱壁变形很小，对柱管的受力不会产生影响.

另外需要说明的是，普遍认为，翼缘削弱节点既然是在梁上进行翼缘的切削，那么，对梁或者节点的受力应该就是一种“削弱”行为.其实这种担心没有必要.首先，在梁上进行切削的部位，其承受的弯矩肯定比梁根部小［4－5］，即便是不进行切削，该处的承载能力也是发挥不出来的；其次，在梁上进行切削以后，改变了应力流的走向，使得环板上的应力分布得到改善.这种切削方法早就在消减应力集中方面得到应用；第三，翼缘削弱节点并没有使节点刚性有所降低；最后，翼缘削弱有意让塑性铰转移到翼缘削弱部位，达到了避免塑性在节点域扩展的目的.将翼缘削弱梁断面塑性最集中的区域与普通节点转角部位的累积塑性应变进行比较，见图14.可以发现，在梁翼缘削弱部位的塑性损伤累积程度并不比普通节点转角处的塑性损伤累积程度高.相反，经翼缘削弱改造的节点，不仅环板转角处的塑性累积程度较低，就是在翼缘削弱部位，其塑性累积程度也要比普通节点环板转角部位的低很多.也就是说，在翼缘削弱节点翼缘削弱部位出现塑性断裂的概率要比在普通节点环板转角部位出现塑性断裂的概率小.反映在节点破坏特征上，在相同荷载条件下，普通节点破坏会早于翼缘削弱节点的破坏.

图14 关键部位累计等效应变

4 结束语

采用翼缘削弱的方法对钢管混凝土加强环式节点进行改进，并对这种节点进行受力性能的有限元模拟.模拟结果表明，能有效地改善加强环节点的受力性能.首先是明显改善了节点域的应力分布情况，降低了节点域的应力峰值；其次这种改造并没有降低节点的刚度，相反却能提高节点的相对刚度；最后节点在反复荷载作用下，节点域的柱壁变形明显减小，并成功地将塑形铰外移到了梁端.由此可见，在钢管混凝土外加强环式节点中使用翼缘削弱是一种行之有效的改善节点性能的方法.

［1］茹继平，杨 娜.翼缘削弱型钢框架梁柱节点的性能研究综述［J］.工程力学，2004，21（1）：55－58.

［2］李成玉.钢管混凝土柱－钢梁框架节点受力性能及设计方法研究［D］.武汉：武汉大学土木建筑工程学院，2005.

［3］游经团，陈国栋，韩林海.外环板式钢管混凝土节点环板尺寸的初步探讨［C］／／中国钢结构协会钢－混凝土组合结构分会第十次年会论文集，2005.

［4］何雄君，孙国正，陆永青，朱云升.基于组合材料框架元的钢管混凝土拱桥屈曲分析［J］.武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2002，26（1）：14－17.

［5］Pachoumis D T，Galoussis E G，Kalfas C N，et al.Reduced beam section moment connections subjected to cyclic loading：Experimental analysis and FEM simulation［J］.Engineering Structures，2008（8）：121－126.