复式钢管混凝土柱-钢梁组合节点性能研究

霍志伟 张富娇

摘  要：中空夹层钢管混凝土柱-钢梁采用穿心高强螺栓-外伸端板构成的组合节点建立有限元模型。分析了模型在梁端单调加载下的应力分布规律及柱轴压比、方钢管壁厚对节点力学性能的影响。

关键词：中空夹层钢管混凝土柱;穿心高强螺栓-端板节点;力学性能

中图分类号：TU398.9       文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）09-0076-02

Abstract： The finite element model of hollow sandwich concrete-filled double skin steel tubular is established using the combined joint of high strength bolt-end plate joint and axial compression ratio. The stress distribution law of the model under monotonic loading at the beam end， the axial compression ratio of the column and the influence of the wall thickness of the square steel tube on the mechanical properties of the joints are analyzed.

Keywords： concrete-filled double skin steel tubular （CFDST）; high strength bolt-end plate joint; mechanical property

引言

近年來，对于实心钢管混凝土梁柱节点的性能研究已经有了较为成熟的研究成果。研究表明合理的梁柱连接节点设计可以显著提高节点域的延性和结构的耗能能力。目前，对于钢管混凝土柱-钢梁节点采用的端板螺栓连接节点形式已有较为系统的研究，但节点力学性能的数值模拟较少，而应用于中空夹层钢管混凝土柱-H型钢梁的端板穿心螺栓组合节点未有研究。为此，本文参考实心钢管混凝土梁柱节点连接形式，提出了适用于方中空夹层钢管混凝土柱-H型钢梁的穿芯高强螺栓-外伸端板组成的框架中柱组合节点并建立非线性有限元数值模型，分析典型模型单调加载过程中节点域应力分布规律，并对典型模型下的柱轴压比和方钢管壁厚等作为变化参数，研究其对节点力学性能的影响，以期为今后的研究提供较有价值的参考。

1 节点模型的建立

1.1 材料本构关系

选用ABAQUS软件分析时，将低碳软钢和高强螺栓的本构关系曲线均简化成双折线模型，屈服后弹性模量为0.01倍初始弹性模量，夹层混凝土采用CDP模型。空心率在一定范围内，中空夹层钢管混凝土柱与传统钢管混凝土柱的受力性能近似，因此采用刘威提出的适用于有限元软件分析的中空夹层钢管混凝土本构关系模型，详见文献[4]。

对钢梁、内外钢管和夹层混凝土的模型建立均采用8节点六面体减缩积分实体单元（沙漏控制）。为精确处理结构当中存在的接触问题，ABAQUS软件采用接触对来定义接触，本文组合节点中涉及到的接触关系有：内外钢管与夹层混凝土、钢管与端板、螺栓杆与混凝土以及螺栓与端板。设置各材料之间的界面法向均为硬接触模拟，切向服从库伦摩擦准则，摩擦系数取0.3;钢梁与端板之间设置为绑定约束TIE模拟。加载方式为：柱顶加载轴力，梁端加载反对称的位移。

1.2 典型模型的建立

选取框架结构在水平荷载作用下梁柱反弯点之间的十字形节点，以方套圆中空夹层钢管混凝土柱-H型钢梁穿芯高强螺栓-外伸端板连接节点为研究对象，其几何尺寸和构造详图如图1。方钢管采用200mm×200mm×6mm，柱截面含钢率为0.219;柱内同心圆钢管截面外径为80mm，壁厚为5mm;H型钢梁HM250mm×175mm×7mm×11mm，跨度为1000mm;外伸端板200mm×450mm×20mm;穿心螺栓采用10.9级M20高强螺栓;混凝土强度等级为C50;内外钢管强度等级为Q345，钢梁强度等级为Q235;柱轴压比为n=0.3，节点详图如图1所示。

2 数值计算结果及参数分析

典型模型的节点极限状态下Mises应力云图如图2所示，节点域附近应力云图呈斜对角线分布，节点域核心区呈现剪切破坏，柱整体S型弯曲，梁端与加劲肋焊接的边缘略有屈曲;钢梁腹板的中部混凝土被压碎且柱腹板有明显隆起，钢梁上下翼缘高度位置的端板处应力也较为集中;端板边缘由于高强螺栓的撬力作用明显，其最大变形位于最外排端板孔洞处;图2（d）显示了典型模型的穿心螺栓在峰值荷载下的应力分布云图，穿心螺栓最大应力值均已超过屈服应力，且接近承载力;由于穿心高强螺栓与孔洞之间产生挤压及螺杆整体受拉，导致应力最大值集中出现在螺杆端部和中部位置;图2（c）是峰值荷载作用下夹层混凝土柱应力云图，其应力整体上关于斜对角线反对称分布，最大应力出现在沿端板高度方向边缘位置，体现节点域夹层混凝土符合“斜压杆”力学模型，节点核心区混凝土处于纯剪状态。

保持其它参数设置不变，依次选取轴压比n为0.2、0.3、0.4、0.5、0.6为变化参数，研究轴压比对典型模型节点力学性能的影响规律。在模型加载初期，节点域处于弹性范围内，位移随荷载增加呈现线性增长;由于夹层混凝土受到内外钢管的约束作用，因此节点承载力变化不明显;而随着轴压比的增大，尤其是当轴压比n=0.6时，加载末期的承载力率先出现明显下降，表明高轴压比时会对结构承载力和延性产生不利影响，应予以控制。

随着方钢管壁厚增大节点承载力递次增长，而没有设置加劲肋的节点承载力最低;外钢管整体变形协调一致，表明柱内圆钢管不仅增加了柱的抗压承载力且提高了节点域抗剪变形能力;节点域整体呈现剪切破坏，方钢管壁厚的增大，节点域剪切变形逐渐减小，且H型钢梁翼缘与加劲肋边缘连接处的变形和应力呈现出较大增长，表明在截面空心率一定的情况下，增大方钢管壁厚对柱承载力、节点域破坏形式以及梁端塑性铰的形成有显著影响;由于加劲肋的设置，钢梁屈曲和应力最突出位置远离节点域核心区。

3 结论

中空夹层钢管混凝土柱内钢管不仅增强了柱整体抗压、节点域抗剪能力，还显著的对节点力学性能产生影响;柱外钢管壁厚的增大可以有效改善柱抗剪能力及整体受力性能;在一定范围内，轴压比的变化对节点承载力无明显影响，但较高轴压比会对节点延性产生影响;设置加劲肋可以改善梁端破坏形态及应力分布。

参考文献：

[1]韩林海.钢管混凝土结构[M].北京：科学出版社，2000.

[2]韩林海，陶忠，王文达.现代组合结构和混合结构：试验、理论和方法[M].北京：科学出版社，2009：200-205.

[3]吕西林，李学平，余勇.方钢管混凝土柱与钢梁连接的设计方法[J].同济大学学报，2002，30（1）：1-5.

[4]钢管混凝土局部受压时的工作机理研究[D].福州：福州大学，2005.