腹板开孔型组合梁柱节点的研究①

纪万金， 韩 倩

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300251)

0 引言

在钢框架结构中，钢与混凝土组合梁结构的应用越来越广泛[1]，楼板通常采用组合楼板(压型钢板与混凝土组合板)，组合楼板与钢梁就构成了组合梁结构．组合梁能够充分利用钢材抗拉性能和混凝土的抗压性能，使钢材与混凝土材料性能得到合理的利用．但是组合楼板使组合梁截面受压中和轴上移，所以钢梁的下翼缘应力要比上翼缘大很多，同时下翼缘的变形较大，组合楼板约束组合梁与钢柱连接节点的变形能力，使得组合节点钢梁下翼缘处的应力集中状况更加明显[6]．所以在地震作用下，节点受到高应力和大变形要求，钢梁下翼缘易导致脆性破坏，会在一定程度上降低钢框架的节点的延性和转动性能．因此，混凝土板的存在对节点下翼缘的脆性破坏具有潜在的影响．但是如果在钢梁腹板开孔，削弱梁腹板，在地震作用下，开孔处实现空腹梁机制，形成塑性铰，远离易发生脆性破坏的节点根部，实现塑性铰外移，使得节点具有良好的抗震性能[5]．

1 腹板开孔对组合梁－柱的有限元分析

组合梁柱节点，在地震作用下，钢梁下翼缘节点根部，受到高应力和较大的变形需求，以及焊缝残余应力的影响，容易发生脆性破坏．如果削弱钢梁腹板(开孔)，实现塑性铰外移，这样节点有更好的延性以及能更好的吸收地震能量，具有良好的抗震性能．节点的有限元分析通常把塑性应变发生位置和发展情况来判断塑性铰产生的依据，所以我们要研究组合梁柱节点区域的塑性应变发生位置和发展情况．

根据实际工程中的钢框架结构中的组合楼板与钢梁(包括主梁和次梁)的连接构造要求，建立腹板开孔的组合梁柱节点分析模型，其主要构造为:主梁与柱翼缘焊接，在主梁的腹板的特定位置开孔削弱，次梁与柱加劲肋焊接，组合楼板与钢梁通过抗剪连接件连接，并协同工作，抗剪连接件焊接于梁上翼缘顶面，压型钢板与混凝土板构成组合楼板．分析模型基本尺寸如下:主梁、次梁和柱均用H型截面;主次梁截面尺寸为H400×150×6×10，主梁腹板开圆孔(距离柱翼缘b=400的位置，梁腹板开孔半径r=135，145，155)，柱截面尺寸为H450×300×10×16;楼板厚度取100mm，钢梁上面的组合楼板宽度取1400mm．约束条件为:在柱梁端施加固定约束，在主梁的悬挑端施加位移荷载D．

组合梁柱节点的有限元模型中，用SOLID45单元模拟钢结构部分(主次梁、柱等);用SOLID65单元模拟混凝土组合板，同时考虑组合板开裂的影响，组合板的钢筋采用整体式建模;用BEAM188和COMBIN39单元模拟抗剪连接件(栓钉)，用3D接触单元(TARGE170和CONTA174)模拟钢梁与组合板之间的接触面．钢材采用Q235钢，混凝土采用C30混凝土．组合梁柱节点的有限元模型如图1所示．

组合节点的塑性应变发展情况如图2所示，当D=5mm时，组合梁柱节点的塑性应变最先出现在钢梁下翼缘与柱焊缝位置，钢梁其它位置没有出现塑性应变;当D=9mm时，钢梁上翼缘与柱焊缝位置以及钢梁腹板开孔左下方也出现了塑性应变，但是孔左下方的塑性应变发展较快，此刻，组合梁柱节点的最大塑性应变集中在钢梁与柱的焊接位置;当D=15mm时，钢梁腹板的开孔的塑性应变同时向梁上下翼缘扩展，但是梁下翼缘方向的塑性应变扩展的较快，此刻最大塑性应变从梁下翼缘与柱的焊缝位置转移到钢梁腹板开孔的下方;当D=23mm时，钢梁梁上翼缘的塑性发展速度较慢，塑性区较小，而钢梁下翼缘腹板开孔下方的塑性应变发展较快，塑性区较大．随着加载位移的继续增大，最大塑性应变保持在钢梁腹板开孔下方．

图1 组合梁柱节点有限元模型

图2 节点的塑性应变发展情况

组合梁柱节点在梁腹板开孔后，钢梁的上翼缘的塑性发展较慢，塑性应变区域非常小，而下翼缘的塑性发展较快，塑性应变区域较大．当D＜15mm时，组合梁柱节点的最大塑性应变出现在梁翼缘与柱连接焊缝处，在D＞15mm时，最大塑性应变从焊缝处转移到腹板开孔下方，随着加载位移D的增加，最大塑性应变在此扩展，并形成塑性铰，达到塑性铰外移的效果．在地震作用下，组合梁柱节点的最终破坏为延性破坏，具有良好的抗震性能．

2 腹板开孔对组合梁柱的实验分析

有限元分析中已经证明了腹板开孔能够使组合梁柱节点的塑性铰形成位置远离梁根部焊缝连接处，能够形成塑性铰，属于抗震性能较好的节点，下面进行实验分析与有限元分析对比验证腹板开孔型的组合梁柱节点的抗震性能．

根据实际工程中的组合梁柱节点连接形式，以及有限元分析采用的节点连接形式，建立了组合梁柱节点的实验模型，基本尺寸如下:主梁、次梁和柱均用H型截面;主次梁截面尺寸为H400×150×6×10，柱截面尺寸为H450×300×10×16;楼板厚度取125mm，钢梁上面的组合楼板宽度取1400mm．约束条件为:在柱梁端施加固定约束，在主梁的悬挑端施加往复位移荷载．

图3 实验现象

组合梁柱节点试件的实验装置为:组合梁与地面垂直，钢柱水平放置，在钢柱的两个端头设置与地面固定装置顶住试件，防止水平滑移，组合梁端由水平放置固定于反力墙上的双向千斤顶在组合梁端施加往复荷载．由于本次试验主要研究节点的塑性塑性铰形成、滞回性能以及破坏模式，所以采用了循环加载的方式．

图4 组合梁柱节点实验的滞回曲线

图5 节点的破坏模式

当组合梁端节点的位移荷载加载到75mm时，节点破坏，节点破坏现象如图6所示:第一，压型钢板与混凝土组合楼板的出现很多裂缝，大部分集中组合楼板与钢柱接触的四周，如图3(a)所示，组合楼板的横向裂缝是由混凝土板受拉造成的，钢柱四周凌乱的裂缝是由于组合楼板与钢柱接触受压造成的;第二，组合楼板侧面，混凝土板与压型钢板大部分已经脱开，如图3(b)所示，脱开同时发出巨大响声，主要是由于抗剪连接件拉断造成的;第三，钢梁腹板开孔处形成了不规则的椭圆形，如图3(c)所示，主要是由于在开孔处形成了塑性铰，同时开孔处的塑性区分布和发展的不均衡性造成的，同时开孔处吸收了往复施加的荷载位移能量;第四，钢梁的上下翼缘都出现了波浪形，但是钢梁下翼缘的波浪形要比上翼缘明显的多，如图3(c)所示，由于组合楼板的组合效应，使得梁柱节点的受压中和轴上移，造成钢梁上翼缘的应力较小，塑性发展较慢，所以钢梁上翼缘的波浪型不明显;同时组合梁柱节点中和轴上移使得钢梁下翼缘应力更大，由于钢梁腹板开孔也虚弱了节点的抗剪能力，节点的下翼缘也要参与抗剪，因此在腹板开孔下方与对应的下翼缘位置的塑性应变较大，发展较快，最后形成塑性铰，所以钢梁下翼缘的开孔的下方出现明显的波浪型．

总之，节点破坏后，钢梁下翼缘的开孔下方的出现明显的波浪型，腹板开孔处形成极不规则的椭圆形，但是组合梁柱节点的焊缝处完好，实现了塑性铰外移的效果，同时实验得到的滞回曲线比较饱满(如图4所示)，说明节点的延性比较好．主要原因是梁腹板开孔削弱了节点的抗剪能力，在弯剪共同作用下，组合梁腹板开孔处的塑性应变要比组合梁柱焊缝处的塑性应变大，塑性发展快，因此梁腹板开孔下方形成塑性铰，远离节点焊缝处，所以节点破坏属于延性破坏，同时具有良好的抗震性能．

3 组合梁柱节点破坏模式的研究

在有限元分析和实验分析中，腹板开孔型组合梁柱节点破坏和变形情况如图5所示．组合梁柱节点在焊缝处均未发生脆性破坏，同时在梁下翼缘都出现了明显的波浪型，梁腹板开孔处形成了不规则的椭圆形．所以有限元分析和实验分析中关于节点的破坏模式吻合的比较好，同时也证明了腹板开孔型组合梁柱节点实现了达到了塑性铰外移的效果，所以腹板开孔的组合梁柱节点具有良好的抗震性能．腹板开孔型组合梁柱节点的破坏模式为:在开孔处形成了空腹梁机制，在此处形成了塑性铰，属于延性破坏．

4 结论

本论文对腹板开孔型组合梁柱节点的塑性应变分布、滞回性能、破坏模式进行了有限元分析和实验分析，通过对比，验证了本文关于腹板开孔型组合梁柱节点的研究正确性，结论如下:腹板开孔型组合梁柱节点破坏时，梁下翼缘开孔位置出现明显的波浪型，梁腹板开孔位置成为极不规则的椭圆形，但是梁柱焊接处完好．说明腹板开孔型组合梁柱节点的实现了塑性铰外移的效果，破坏属于延性破坏．从节点的滞回曲线的包络面积来看，节点抗震性能比较好．

[1] 聂建国．钢－混凝土组合梁结构——试验、理论与应用[M]．北京:科学出版社，2005．

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[5] 茹继平．梁腹板开孔节点及钢框架抗震性能实验研究[D]．北京:北京交通大学，2005．

[6] 石永久，苏迪，王元清．考虑组合效应的钢框架梁柱节点恢复力模型研究[J]．世界地震工程，2008，24(2):51，61，71，81．

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