某斜向交汇预应力型钢混凝土梁-钢管混凝土柱节点研究

2018-09-21孙建龙

铁道标准设计 2018年10期

孙建龙

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

1 概述

由于预应力型钢混凝土梁与钢管混凝土柱具有刚度大、承载力高及延性好等优点[1]，将两者结合可以满足超大跨度、重载结构的要求，但两者梁柱节点的可靠性是能否实现上述目标的关键[2]。基于此问题，国内学者对此进行大量研究。其中聂建国等[3]对钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁外加强环节点进行了试验研究，对其构造措施提出了改进建议。丁阳等[4]采用低周往复拟静力试验与数值模拟相结合的研究方法，对钢管混凝土柱-预应力混凝土梁T形节点进行了研究，得出其具有良好的承载力及延性。金怀印等[5-6]基于非线性有限元软件，对PSRC梁-CFT柱隔板贯穿式节点进行了分析，结果表明：该节点具有较高的承载能力与良好的延性，呈现梁铰破坏机制，后期承载力、刚度退化缓慢，满足工程安全性要求。方梅[7]通过低周往复荷载试验，研究不同预应力对钢管混凝土柱-预应力混凝土梁节点的影响，结果表明：预应力对试件的破坏类型几乎没有影响，但使其刚度退化加快，耗能性能降低。

综上，两向正交的型钢混凝土梁-钢管混凝土柱节点的研究和工程应用都比较成熟[8-9]，然而斜向交汇的预应力型钢混凝土梁-钢管混凝土柱节点的研究相对较少，所以对此的研究具有重要意义。以某站房边跨斜向交汇预应力型钢混凝土梁-钢管混凝土柱节点为研究对象，基于ADINA有限元软件模拟分析结果，采用缩尺模型试验，对该节点在设计荷载作用下各单元的应力分布、荷载位移曲线及低周往复荷载下的滞回曲线等指标进行了试验研究，得到该类型节点的受力机理及抗震性能，为工程设计提供理论依据和优化建议。

2 工程概况[10-11]

新建呼和浩特东客站为一现代化大型铁路客站，站房建筑面积59 240 m2。站房高架候车厅楼盖柱网为31.2 m，呈正三角形规则布置。本工程设计使用年限为50年，建筑结构的安全等级为一级，抗震设防烈度为8度，地震加速度0.2g。

站房主体结构采用了钢管混凝土柱-预应力混凝土梁框架结构体系，其中站房高架层的计算模型如图1所示。预应力混凝土梁端部设置有型钢梁，与钢管混凝土柱节点区上下加强环板焊接，梁内预应力筋和部分普通钢筋穿过节点核心区，部分普通钢筋与环板双面焊接连接。由此，站房中部形成两向正交的预应力型钢混凝土梁-钢管混凝土柱节点，而站房两侧边跨则形成了复杂的斜向交汇预应力型钢混凝土梁-钢管混凝土柱节点。其中交Ⓕ轴所形成的典型斜向交汇节点如图2所示，与节点相连各构件的截面及材质如表1所示。

图1 站房高架层结构计算模型(局部)

图2 节点平面示意(单位：mm)

构件混凝土梁/mm型钢梁/mm梁端跨中截面预应力筋/mmKL12200×19001600×1900H1600×800×25×404×19ϕs15.2KL22200×19001600×1900H1600×800×25×406×16ϕs15.2KL32200×19001600×1900H1600×800×25×304×16ϕs15.2

注：混凝土等级为C40，钢质为Q345B；预应力筋为φ15.2 mm钢绞线。

3 有限元分析

3.1 模型建立

为了确保有限元模型建立的准确性，模型设计时采用了全三维CAD设计，很好地解决了钢结构、混凝土、钢筋、预应力钢绞线之间的几何干涉关系，建立的节点模型如图3所示。

图3 梁柱三维实体模型

由三维实体模型可知，该节点模型中钢结构、钢筋和混凝土的相互关系非常复杂，对有限元分析的前期建模及分析软件的选择都有较高的要求。综合对比各类有限元分析软件后，节点拟采用Hyper Mesh对有限元模型进行精确的划分，再采用通用程序ADINA—Automatic Dynamic Incremental Nonlinear Analysis对节点进行非线性有限元分析[12-13]。

模型中所用的荷载种类、大小同实际工程设计中使用的荷载一致。荷载直接提取整体杆系模型中一组最不利控制组合的杆件内力或节点位移作为其计算控制荷载或约束边界条件。

在建模过程中，钢管与混凝土间采用了接触约束、绑定约束等[14-15]非线性边界约束单元。由于本节点各构件几何截面均较大，几何非线性和状态非线性问题不突出，故而分析中只涉及混凝土、钢材的弹塑性材料非线性问题。钢材采用等向弹塑性模型，混凝土采用塑性损伤模型，参照文献[16]的本构关系。非线性计算方法选择了Newton-Raphson分步增量迭代算法(混合算法)。建成后的梁柱节点有限元模型如图4所示。

图4 梁柱节点有限元模型

节点采用逐级递增加载方式，加载步总共分为10级，荷载递增量为10%，最大荷载值按整体分析中各种组合工况下的最不利荷载采用，边界条件为直接在钢管混凝土柱上下端有限元节点上设置刚性约束。荷载加载位置及约束位置如图4所示。

3.2 计算结果

加载至最大荷载步时，梁柱节点范围内各单元的应力云图如图5所示。从钢管柱应力云图可见，对于钢管柱及内置型钢梁，应力峰值为177 MPa，出现在型钢梁与外加强环板交界处，为应力集中现象，但区域面积小，分布离散且不贯通。滤去应力集中区域，钢管柱的最大应力值为140 MPa，型钢梁的最大应力值120 MPa，远小于规范限值；从框架梁内预应力筋、纵向钢筋的应力云图可见，各受力筋的应力分布较为均匀，且应力值均控制在规范限值以内；从梁端箍筋应力云图可见，加强区段的箍筋应力值较小，最大应力值出现在梁端加强区以外，说明在梁端剪力作用下，梁端加强区及型钢梁的设置分担了大部分剪力，设计时应在梁端加强区以外一定范围内设置箍筋加密区，确保抗剪承载力的平缓过渡。

图5 节点区各单元的应力云图

根据上述各单元的应力云图分布可见，ADINA有限元软件及HyperMesh网格划分功能可有效地模拟梁柱节点的受力性能及钢筋(预应力筋)与混凝土间接触关系，此技术为其他部位的梁柱节点的受力分析提供了可能，也为实体缩尺模型试验提供了必要的数据支撑，达到减小试件数量、优化设计的目的。

梁柱节点的荷载-位移关系曲线如图6所示。从曲线段可见，在设计荷载作用下，节点呈非线性弹性变化，加载至第10级荷载步时，位移达到16 mm，此时曲线仍未出现塑性平缓或下降段，可见该梁柱节点具有很好承载力和刚度。

图6 节点荷载-位移曲线

4 节点试验

4.1 试件设计与制作

根据实际工程的构件尺寸及实验室加载条件，采用1∶4缩尺模型试验。各构件截面尺寸、钢板厚度按1∶4为基准并考虑强度设计值和钢板型号进行缩尺，构件内的钢筋及预应力筋按截面等配筋率原则进行配置。按上述原则换算的试件参数如表2所示。

表2 试件尺寸

注：试件尺寸以KL2为例。

各钢构件间均采用全熔透坡口等强焊接，梁端的负弯矩筋部分绕过钢管柱连续设置，部分焊接在环板上达到锚固的要求；为了测量各级荷载下不同部位的应力、应变，在环板、加劲肋、普通钢筋等试件受力较大部位设置了应变片，制作完成的试件如图7所示。

图7 试件制作及安装

4.2 静力加载

采用由小到大逐级加载的方式进行，共分11级，除1、2级间增量为25 kN外，其他各级间增量均为50 kN，最大加载量为500 kN。每级加载到位后，测量各应变片应变、观察裂缝是否产生、测量裂缝宽度等。

根据所设应变片测得的各单元应力情况分析，梁内型钢梁及环板的应力均较小，与有限元分析相吻合。

第4级加载(相当于极限荷载的30%)末期，裂缝开始产生，最明显的裂缝出现在Ⓕ轴和轴交界处以及轴梁的根部；第5级加载(相当于极限荷载的40%)时，最大裂缝宽度在0.10～0.12 mm，第6级加载时，最大裂缝宽度在0.20 mm左右，第7级加载(相当于极限荷载的60%)时，最大裂缝宽度达到0.28～0.30 mm。部分静力加载时刻的构件裂缝如8所示。

上述所有裂缝均为弯曲裂缝，剪切裂缝几乎没有产生。