钢管混凝土组合柱节点开孔的设计与优化

陈文浩 雷劲松 王 明 廖昭印

(1.西南科技大学土木工程与建筑学院 四川绵阳 621010; 2.成都基准方中建筑设计有限公司南宁分公司 广西南宁 530000)

钢管混凝土叠合柱，简称叠合柱，是由截面中部的钢管混凝土和钢管外的钢筋混凝土叠合而成的柱，叠合柱截面示意图见图1。钢管混凝土叠合柱根据浇筑的时间可分为同期和不同期，管内外混凝土同期浇筑的称为组合柱，反之为叠合柱。叠合柱由于具有承载力高、抗震性能好和施工较方便的特点，适用于我国非抗震和抗震设防区的建筑结构。

图1 叠合柱类型Fig. 1 The type of the laminated column

目前文献报道关于叠合柱节点研究较少，常用节点有环梁法[1]、钢板翅片转换型连接方法[2]等，但都存在一定的局限性。环梁法施工难度大，环梁的钢筋网和管外钢筋相互交错比较密集，浇筑的混凝土很难保证密实，给施工造成极大不便，而且环梁直径过大影响建筑使用功能。钢板翅片转换连接是针对钢管不贯通的情况，需要在钢管上焊接翅片将梁纵筋焊接在翅片上，该方法增加了施工现场的焊接工作量，存在施工安全隐患。本文通过文献[3]了解到，可以在钢管上开穿钢筋小孔的连接节点(如图2)，该方法通过模型试验为基础的理论分析和多个工程实践证明其具有安全可靠和经济实用的优点。因此，本文基于某工程项目对采用的钢管混凝土组合柱进行钢管开穿孔洞作为连接节点进行研究。本次研究分两个方面：第一是不同的开孔方式、数量和大小对钢管应力分布和叠合柱承载力造成的影响；第二是开孔周围分别加环箍、横竖箍筋、横竖加劲板对钢管应力分布和组合柱承载力的影响。基于以上分析提出了最优开孔方式和加强措施。

图2 钢管开小孔节点Fig. 2 Pipe opening node

1 模型的建立

1.1 材料的本构模型

本模型钢筋采用HRB400和HRB500钢筋，文献[4]表明对于高强钢材一般采用如图3所示的双线性模型，该模型分弹性段和强化段，强化段的弹性模量取值为0.01Es，Es为钢材的弹性模量。

图3 钢材的应力应变关系模型Fig. 3 Stress-strain relationship model of steel

在计算过程中，钢材的弹性模量和泊松比分别取为200 000 MPa和0.3。在钢材的应力达到极限强度后，强度不再增加。混凝土的本构模型采用ABAQUS中提供的混凝土塑性损伤模型，该模型最早由Lubliner[5]提出，Lee和Fenves[6]在其基础上引入损伤变量使其能够较好地反应混凝土在轴压加载情况下的受力性能。混凝土的受压应力-应变关系考虑钢管对内部混凝土的约束效应，采用韩临海[4]的应力-应变模型。钢管外的混凝土采用《混凝土结构设计规范》[7]GB 50010—2010中的混凝土单轴受压的应力-应变曲线。

1.2 单元的选取

核心混凝土、管外混凝土(包括梁混凝土和钢管外的柱混凝土)均采用八节点减缩积分的三维实体单元，即C3D8R单元。纵向钢筋和梁、柱箍筋采用两节点三维线性梁单元，即T3D2。钢管采用S4R单元，沿壳单元厚度方向上采用9个积分点的Simpson积分以满足一定的计算精度。该单元为四节点减缩积分壳单元，它允许沿壳的厚度方向发生剪切变形，且其求解方法会随着壳体厚度的变化而自动服从薄壳或厚壳理论。

1.3 接触关系

通过定义法向和切向的接触关系来模拟钢管和内外混凝土间的接触关系。在法线方向，钢管和外混凝土、钢管和内混凝土间的接触为“硬接触”，垂直于法线方向的压力可以完全传递，钢管和混凝土间的单元不能相互穿透。在切线方向，混凝土和钢材之间采用“Penalty”中的“friction coef”来考虑钢材和混凝土界面间的摩擦力。通常认为该摩擦力为库仑摩擦力。研究结果表明，界面摩擦系数[8]在0.2～0.6之间取值。本文钢管与核心混凝土的界面摩擦系数取为0.6，钢管与外围混凝土之间的摩擦系数取0.25。

基于以上材料本构和接触模型，在ABAQUS中建立如图4所示有限元模型。 图5-图14为不同开孔方式、数量、大小和不同增强措施的有限元模型。

图4 钢管混凝土组合柱-钢筋混凝土梁节点Fig.4 Steel tube concrete composite column-reinforced concrete beam joints

Col-A：钢管未开孔的组合柱模型，如图5所示。

Col-A600×900：在柱高中部环向布置一排4个尺寸为600 mm×900 mm的矩形孔，如图6。

Col-A600×900L：在柱高中部环向布置一排4个尺寸为600 mm×900 mm的矩形孔，同时增加4个框架梁，考虑框架梁对开孔处约束作用，如图7。

Col-A600×900L+HG：在图7的基础上在梁开孔处上下增加环箍，如图8所示。

Col-A600×900L+HSGJ：在图7的基础上增加横竖箍筋环，如图9所示。

Col-A600×900L+HSJB：在图7的基础上增加横竖加劲板，如图10所示。

Col-A600×100：在柱高中部环向布置一排4个尺寸为600 mm×100 mm的矩形孔，如图11所示。

Col-A600×100+HG：在图11的基础上增加环箍如图12所示。环箍的直径为28 mm，其材质为HRB400。

Col-A600×100+HSGJ：在图11的基础上增加横竖箍筋，如图13所示。

Col-A600×100+HSJB：在图11的基础上增加横竖加劲板，如图14所示。加劲板的板厚为30 mm，其材质为Q345。

图5 Col-AFig.5 Col-A model图6 Col-A600×900Fig.6 Col-A600×900 model图7 Col-A600×900LFig.7 Col-A600×900L model图8 Col-A600×900L+HGFig.8 Col-A600×900L+HG model图9 Col-A600×900L+HSGJFig.9 Col-A600×900L+HSGJ model图10 Col-A600×900+HSJBFig.10 Col-A600×900+HSJB model

图11 Col-A100×600Fig.11 Col-A100×600 model图12 Col-A600×100+HGFig.12 Col-A600×100+HG model图13 Col-A600×100+HSGJFig.13 Col-A600×100+HSGJ model图14 Col-A600×100+HSJBFig.14 Col-A600×100+HSJB model

2 模型验证

为了验证有限元模型的正确性，基于康洪震[9]中CC4，CC5，CC6试验数据，建立相应的3个模型，该文研究18根组合柱的轴压试验，通过得出的轴力-纵向应变曲线分析组合柱的性能，因此本文也从模型中提取轴力-应变曲线进行对比分析。图15-图17给出了模型的计算结果和文献的计算结果，计算数据表明有限元计算结果和试验结果总体上吻合较好。

图15 试件CC4Fig. 15 Test piece CC4

图16 试件CC5Fig. 16 Test piece CC5

图17 试件CC6Fig. 17 Test piece CC6

3 模型分析

本文建模基于某实际工程案例的梁柱节点，其中配筋数据通过盈建科计算得出，如图18所示。

为深入了解钢管混凝土组合柱开孔的大小、数量和加强措施对叠合柱承载力性能的影响，对其分别建模，通过承载力和其应力云图来比较最优开孔方式和加强措施。

根据《钢管混凝土叠合柱结构技术规程》[2]8.2.4第3条“梁的纵向钢筋单筋穿过钢管时钢管管壁上开圆孔其直径不宜小于d+13 mm”和第4条“梁的纵向钢筋并筋穿过钢管时，或梁的最外侧为两排穿过钢管时，钢管管壁上可开长圆形的孔，孔的大小应考虑施工时梁的纵向钢筋能顺利穿过”。由此可知目前叠合柱技术规程对钢管的开孔没有明确的要求，只考虑了开孔的大小能否满足钢筋穿过。李宁波[10]根据某工程项目中某梁柱节点进行1/3的缩尺试验，试验表明开孔为115 mm×67 mm(弧长×高)的穿筋节点有着较好的抗震性能，因此本文基于某工程提出对钢管开孔600 mm×100 mm，600 mm×900 mm两种进行模拟分析。另外，在规范8.24第6条也提到“不同期施工的叠合柱和同期施工的叠合柱，钢管管壁上开孔的截面损失率分别不宜大于30%和50%，超过时宜在孔侧和孔间加焊竖向肋板或钢筋补强”。本次开孔造成截面损失为64%，参照工程背景中柱选用的是钢管混凝土组合柱，针对截面损失超过规范要求，因此选用钢筋环箍、横竖箍筋、横竖加劲板来增强钢管。

图18 梁柱节点配筋Fig. 18 Beam joint reinforcement

图19是根据不同的开孔及加强措施得出的轴力-位移曲线。其中轴力达到180 000 kN是未开孔的组合柱，最下面的红色曲线是开孔600 mm×900 mm时的组合柱，在沿柱高中部开孔后柱子承载力被大幅度削弱，下降了17.8%。另外两类曲线分别是开孔600 mm×900 mm后通过框架梁约束、环箍、横竖箍筋网等加强措施的组合柱和开孔600 mm×100 mm后增加环箍、横竖箍筋网等加强措施的组合柱。计算表明：钢管混凝土组合柱在峰值顶点之前轴力与位移基本是直线，表明塑性很小，峰值顶点之后曲线都呈下降趋势，开孔600 mm×100 mm的下降趋势明显比开孔600 mm×900 mm的缓慢，可见开孔600 mm×100 mm，即使进入屈服阶段后，组合柱的性能也更加优越。总的来说，钢管混凝土组合柱在柱端逐渐增大的轴压力作用下，其受力全过程经历了节点核心区混凝土开裂、柱内箍筋、受压筋、钢管屈服等阶段后达到其极限状态，其中，管外钢筋混凝土里面钢筋网最先达到极限强度，而此时钢管及核心混凝土还未达到极限强度。

图19 轴力-位移曲线Fig. 19 Axial force-displacement curve

3.1 600 mm×900 mm开孔及不同的增强措施对组合柱承载力的影响

(1)根据图5-图10所建的6个模型得出荷载-位移图(见图19)，其中未开孔的轴力180 000 kN，开孔后为148 000 kN，降低17.8%，通过框梁约束后轴力为160 892 kN，与开孔相比提高了8%，说明增加框架梁的约束能有效提高该柱的承载力。

(2)在框梁约束后的开孔处增加环箍、横竖箍筋、横竖加劲板对承载力的提升有限，最大承载力分别为161 274，161 656，162 470 kN，可以得出其加强效果为横竖加劲板>横竖箍筋>环箍。

(3)开洞后的柱子的最大承载力也远大于规范值，通过加强后其承载力约为规范值1.3倍。

3.2 600 mm×100 mm开孔及不同的增强措施对组合柱承载力的影响

(1)根据图5、图11-图14所建的5个模型得出荷载-位移图(见图19)，未开孔的轴力为180 000 kN，开孔后为158 600 kN，承载力降低了12%。

(2)在开孔附近增加环箍、横竖箍筋、横竖加劲板的承载力分别为159 685，159 927，162 038 kN，说明横竖加劲板的效果最好。

(3)开孔后的承载力大约为160 000 kN，远远超过规范值的要求，可见开孔后的模型也符合要求。

承载力分析表明：开孔600 mm×900 mm经过框架梁约束后承载力略高于开孔600 mm×100 mm；不同的开孔形式通过相同的加强方式，横竖加劲板的承载力大于其他两种，说明该加强方式比较好；不同的开孔方式在经过横竖加劲板约束后其最大承载力约为162 000 kN；两种开孔方式的最大承载力都远大于规范值，符合要求。

3.3 应力云图比较

根据图19可知在6 mm处轴力约为135 000 kN，承载力也高于规范值，提取6 mm处的应力云图进行了比较分析。

(1)未开孔的应力为284 MPa，开孔600 mm×900 mm后的应力为320 MPa，开孔后加框架梁约束后应力有一定降低，其值为303 MPa(图20-图22)。

(2)组合柱开孔600 mm×900 mm加框架梁约束后分别增加环箍、横竖箍筋、横竖加劲板，应力都有不同程度降低，其值分别为299,293,280 MPa，可见横竖加劲板的效果最好而且比未开孔的应力都低(图23-图25)。

(3)组合柱开孔600 mm×100 mm的应力为297 MPa，与开孔600 mm×900 mm加框梁约束后的应力(303 MPa)相比略低，可见开孔600 mm×100 mm的方式较好(图22、图26)。

(4)组合柱开孔600 mm×100 mm后分别加环箍、横竖箍筋、横竖加劲板后其应力都有一定降低，分别为289,280,274 MPa，可见增加横竖加劲板效果很好(图27-图29)。

(5)两种开孔方式的应力Col-A600×900L(303 MPa)>Col-A600×100(297 MPa)，Col-A600×900L+HG(299 MPa)>Col-A600×100+HG(289 MPa)，Col-A600×900L+HSGJ(293 MPa)>Col-A600×100+HSGJ(280 MPa)，Col-A600×900L+HSJB(280 MPa)>Col-A600×100+HSJB(274 MPa)，根据应力比较可知组合柱开孔600 mm×100 mm后增加横竖加劲板效果优于开孔600 mm×900 mm(图22-图29)。

图20 Col-AFig.20 Col-A model图21 Col-A600×900Fig.21 Col-A600×900 model图22 Col-A600×900LFig.22 Col-A600×900L model图23 Col-A600×900L+HGFig.23 Col-A600×900L+HG model图24 Col-A600×900L+HSGJFig.24 Col-A600×900L+HSGJ model图25 Col-A600×900L+HSJBFig.25 Col-A600×900L+HSJB model

4 结论

通过10个钢管混凝土组合柱的模拟计算与分析，可以得到以下结论：(1)组合柱在经过600 mm×100 mm和600 mm×900 mm的开孔后承载力都有很大程度降低，分别为148 000，158 600 kN，分析表明经过框架梁及环箍、横竖箍筋、横竖加劲板约束后承载力得到有效恢复，其中600 mm×900 mm开孔经过一系列增强后承载力最好，其承载力为162 470 kN。(2)组合柱不同尺寸开孔后增加环箍、横竖箍筋、横竖加劲板约束，对组合柱的承载力有一定提升，孔洞周围的应力也有一定降低，其中横竖加劲板约束效果最好。(3)组合柱中600 mm×100 mm和600 mm×900 mm开孔经过框架梁和加劲板约束后承载力约为162 000 kN，应力约为280 MPa，与开孔相比，轴力和应力都得到有效提升，基于施工便利和承载力的因素，选用600 mm×900 mm的开孔更为合适。