基于ABAQUS的全钢装配式牛腿安装间隙研究

2020-10-31蔡鹏飞

四川建材 2020年10期

钱斌，蔡鹏飞

(苏州科技大学土木工程学院，江苏苏州 215011)

0 前言

相较于传统现浇钢筋混凝土和砌体建筑而言，装配式建筑是在施工现场拼接安装工厂预制构件的建筑方式。具有节水、节地、节能、利于建筑工厂化和环境效益好等优势，满足绿色建筑的要求。在预制装配式结构中，节点对评估建筑连接可靠性和结构稳定性起着非常重要的作用。

目前，预制装配式结构的节点性能是研究的一大热点。程万鹏等[1]研究了预制装配式钢骨混凝土节点的滞回曲线。张振兴等[2]探究了新型装配式防屈曲支撑的滞回性能，考虑不同间隙情况下应力分布情况和滞回性能。马强强[3]对钢管柱与H型钢梁装配式节点进行了研究,表明内套筒与方钢管柱的安装间隙对节点的承载力、延性、刚度退化有较大影响。王燕等[4]研究了内套筒厚度、端板厚度、肋板、制作误差等对梁柱内套筒组合螺栓连接节点力学性能的影响。

本文利用有限元软件对一种新型的全钢装配式牛腿节点进行非线性深化对比分析，揭示安装间隙在常温和火灾高温下对此类节点性能的影响。

1 有限元模型简介

1.1 节点设计

本次研究是全钢装配式梁柱牛腿节点，节点尺寸见图1，①、④为材料Q235B，②材料为Q345B，③为SD1型螺栓。在工厂中锚板通过钢筋预埋在预制型钢混凝土柱内，现场安装阶段，钢牛腿的螺栓通过锚板上预留的圆孔套扣完成组装，钢牛腿上可悬挂梁，形成一个完整的梁柱节点。

图1 节点详图

每4个节点为一组，间隙依次为0、0.5、1、1.5 mm，编号为J1-J12。第一、二组进行常温下偏心受压试验，肋板厚度分别为20、30 mm；第三组进行恒载升温承压试验，肋板厚度为30 mm，恒载为110 kN。

1.2 有限元模型

采用分离组合的方式建立模型，单元类型选用C3D8R实体单元。静载试验模拟时，用线性弹塑性力学强化模型作为型钢的本构以确保模拟的准确性。型钢焊接处均采用tie，面-面接触中法向作用设置为“硬”接触，切向摩擦采用“罚”系数。

温度场分析时，采用ASTM E119标准升温曲线。材料的热膨胀系数、热传导率和比热选用Lie的模型，构件3面受火且受火均匀。

力学分析时，单元网格划分和节点编号一致，分析单元由热分析转换为力学分析。重新定义边界条件，锚板采用固接，钢牛腿上端约束Uz、URx、URy，并通过在垫块上施加面荷载来施加竖向压力。

2 常温模拟结果与分析

图2为不同安装间隙节点在偏心受压下的变形趋势图。可见，随着安装间隙的加大，牛腿节点会早于间隙小的节点进入塑性阶段，且极限承载力降低，其中0～0.5mm间极限荷载降低幅度最大。当存在安装间隙时，初始受力会产生一小段向下的滑移，间隙越大，滑移越大。肋板厚度的加大会显著提高节点的极限荷载。

图2 荷载-变形曲线

图3为不同安装间隙节点的弯矩-转角关系曲线，可以看出钢牛腿节点呈现出半刚性节点特征。J1、J2、J3、J4 试件的初始转角分别为0.000 12、0.003 05、0.006 40、0.009 79，J5、J6、J7、J8 试件的初始转角分别为0.000 14、0.003 10、0.006 44、0.009 76。由此可见装配式牛腿与锚板的安装间隙对节点初始转角有一定的影响，这可能是因为间隙过大降低了节点与柱壁之间的协同工作效应。

图3 节点弯矩-转角关系曲线

以图3中的弯矩-转角关系曲线弹性阶段的斜率定义为节点的初始转动刚度[5]。各节点初始转动刚度依次为4 580、3 410、3 010、2 790、5 800、4 520、4 110、3 890 kN·m·rad-1。随着间隙增加，节点的初始刚度显著降低。当肋板厚度为20 mm时，间隙从0 mm扩大到2 mm时，初始刚度较上一个节点降低幅度依次为23%、11.7%、7%；当肋板厚度30 mm时，间隙从0 mm扩大到2 mm时，每阶段的初始刚度较上一个节点降低幅度依次为22%、9.1%、5.4%。可以发现节点的初始刚度在0～0.5 mm降低幅度最大，然后依次降低。肋板的厚度对节点的初始刚度影响明显，肋板的厚度加大，节点的初始刚度变大。因此，在实际安装过程中应当尽可能提高制作精度，减少安装间隙，把侧板与柱壁的间隙控制在0～0.5 mm。

3 高温下模拟结果与分析

火灾高温下节点的温度场一致，在热-力耦合分析时表现出差异性。节点受热膨胀，随温度升高，出现向上的竖向位移。随着温度升高，变形逐渐加大，钢材的性能也在不断劣化，牛腿刚度减小。当向上变形达到最大值后，变形迅速回落，并转化为向下的变形。接近耐火极限时，钢牛腿向下的竖向位移迅速增大，试件破坏。安装间隙大于0.5 mm的节点初始滑移量基本一致，随着安装间隙的加大，节点破坏前竖向位移速度加快，进入耐火极限的时间提前。也就是说安装间隙的加大会略微降低节点的耐火极限。