方钢管混凝土柱—钢梁套筒连接节点参数分析★

徐 嫚 李紫微 韩振宁

(1.东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040； 2.哈尔滨工业大学城市规划设计研究院，黑龙江 哈尔滨 150001)

0 引言

钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土，从而使得钢管及其核心混凝土能共同承受外荷载作用的结构构件。它能够取长补短，吸收钢、混凝土二者的优点，钢管内核心混凝土可以改善钢管的局部屈曲，而钢管则可以限制混凝土的变形，使内部混凝土处于三向受压状态，提高了混凝土的抗压强度，具有强度高、自重轻、吸收能量大、耐火性能好[1]等优点。因为钢管混凝土结构与传统结构相比具有明显的优势，钢管混凝土结构正被广泛应用于工业厂房、高层建筑和地铁桥梁等结构中，获得了较高的综合效益。然而，梁柱连接节点的发展一直制约着其进一步推广使用，故深入研究结构节点的力学性能具有重要的价值和意义。

P Ansourian等[2]对钢管混凝土柱与钢梁焊接节点进行了试验研究。试验结果表明：钢管混凝土柱与钢梁焊接节点受力的主要部位在焊接处，在往复荷载作用下，节点焊缝处易出现撕裂现象。Yousef.M.Alostaz等[3]对6种不同连接形式的钢梁—圆钢管混凝土柱节点进行有限元模拟分析，节点类型包括：直接焊接式、外加强环式、腹板贯通式、钢筋贯通式、翼缘贯通式、钢梁贯通式，研究表明：初始刚度最大的节点是直接焊接式节点。Atorod Azizinamini等[4]对6个不同连接方式钢梁—圆钢管混凝土柱的T形节点进行了试验分析，研究表明：钢梁与钢管柱壁直接焊接的节点，柱管壁容易发生平面外变形，不适合在工程中应用。高奎[5]分别建立带外套管和不带外套管钢管混凝土柱与钢梁连接节点，对比分析节点在单调作用下的受力性能，得出外套管在钢管混凝土柱与钢梁连接节点工作过程中所起的作用。张岗岗[6]针对6个方钢管混凝土柱套筒—端板节点试件进行试验研究，研究表明：下弦节点破坏模式主要是套筒壁脆性剪切破坏以及焊缝断裂，破坏主要发生在套筒筒壁拼接处和连接短梁翼缘附近的套筒筒壁上，建议在实际工程中严格控制套筒筒壁拼接处的焊缝质量，如果条件允许建议采用整体式套筒或两个“U”形板对接而成的套筒。

综上，直接焊接节点的初始刚度大，但易引起柱管壁发生平面变形，且节点焊缝处易出现撕裂现象。而且，多数研究主要集中在节点的静力试验研究，对节点的抗震性能研究较少，且试验中分析参数较少，分析不够全面。为了改善焊接节点的不足，也为了更多地了解不同参数对套筒连接节点性能的影响。针对一种套筒连接节点[7](节点形式如图1所示)采用ABAQUS有限元软件，对方钢管混凝土柱—钢梁套筒连接节点进行参数分析，从而研究节点的破坏特征和受力机理。

1 有限元模型建立

节点由方钢管混凝土柱、工字形钢梁、套筒等构成，节点具体尺寸如表1所示，混凝土强度等级为C30。

钢材本构采用三线性模型，混凝土本构采用韩林海教授[8,9]研究出的考虑钢管约束效应的方钢管混凝土塑性损伤模型。钢材与混凝土的本构关系模型如图2所示。

在单元划分时，采用C3D8R单元模拟构件中的混凝土和钢材，即8节点三维实体单元。所有结构厚度方向至少3个单元(4个节点)以保证结果的合理性，混凝土的网格比其他构件的网格密，以方便接触对的定义和计算。节点模型的单元划分图如图3所示。

对于实际框架结构，其上柱反弯点假定为竖直方向可移动的铰，下柱反弯点假定为固定铰；梁的反弯点可视为在水平方向能移动的铰[10]。根据以上边界条件：节点有限元模型在柱顶的边界条件为Ux=Uy=0，URy=URz=0；柱底边界条件为Ux=Uy=Uz=0，URy=URz=0；梁端边界条件为Ux=0，URy=URz=0。

表1 构件尺寸

加载方式为先在柱顶施加轴向力，之后在梁端施加竖向荷载的方式。加载根据JGJ/T 101—2015建筑抗震试验规程[11]4.2条和4.4条相关规定进行，其拟静力加载示意图和加载制度如图4所示。

2 参数分析

分析的参数有套筒厚度、套筒高度、轴压比及混凝土强度等级。通过控制变量法逐一对上述参数进行分析，得到节点梁端荷载—位移曲线(P—Δ曲线)和滞回曲线。

2.1 套筒厚度

套筒厚度分别采用6 mm,8 mm,10 mm,12 mm,16 mm进行有限元模拟研究。图5为不同套筒厚度下节点荷载—位移曲线，图6为不同套筒厚度对节点滞回曲线的影响。

结合图5，图6可以看出，当套筒厚度小于10 mm时，增大套筒的厚度可以显著提高节点的弹塑性段刚度和极限承载力(相比套筒厚度为6 mm时的节点极限承载力提升35%～95%)，但对节点的抗震性能无明显影响；当套筒厚度大于10 mm时，随着套筒厚度的增加，节点的刚度和极限承载力相比套筒厚度为10 mm时无显著提升，而滞回曲线出现较为明显的捏缩现象，节点的抗震性能变差，说明此类节点在一定范围内可以通过增加套筒厚度提高节点弹塑性段刚度和极限承载力，但不宜过度增加套筒厚度，以免造成不必要的浪费。

2.2 套筒高度

套筒高度分别取h0,1.2h0,1.5h0和1.8h0(h0=488 mm为套筒的初始高度)进行研究，得到套筒高度对节点荷载—位移曲线和滞回曲线的影响分别如图7，图8所示。

结合图7，图8可以看出，套筒高度的增加对节点的刚度和极限承载力无明显提升(9%以内)；而在一定范围内增加套筒的高度可以使节点滞回曲线更加饱满，提高节点的耗能性能，但增加套筒的高度同时会导致套筒节点试件制作难度增加，因而在设计此类节点时可以适度提高节点套筒高度，以满足节点抗震需求。

2.3 轴压比

轴压比是指柱的轴压力设计值与柱的全截面轴心抗压强度设计值的比值。柱顶的轴力与对应的轴压比如表2所示。

表2 柱顶轴力

保持其他条件不变，通过改变柱顶轴力N研究轴压比n对节点性能的影响，分别取轴压比n为0.2,0.4,0.6和0.8进行有限元模拟研究，得到轴压比对节点荷载—位移曲线和滞回曲线的影响分别如图9，图10所示。

结合图9，图10可以发现，当轴压比不超过0.6时，节点的刚度和承载力与轴压比是正相关的关系，而滞回曲线基本保持一致；当轴压比超过0.6时，节点的刚度和承载力与轴压比呈负相关，滞回曲线开始出现明显的“捏缩效应”，抗震性能变差，可见节点的轴压比控制在0.6时最佳。

2.4 混凝土强度等级

柱钢管内混凝土强度分别取C20,C25,C30,C40进行有限元分析，得到混凝土强度等级对节点荷载—位移曲线和滞回曲线的影响分别如图11，图12所示。

结合图11，图12可以发现，柱钢管内混凝土强度的提高可以提升节点的刚度和极限承载力(7%～38%)；当混凝土强度低于C40时，混凝土强度的改变不会影响节点的抗震性能，当混凝土强度达到C40时，节点的骨架曲线荷载峰值点提高了20%。

3 结语

本文主要对方钢管混凝土柱—钢梁套筒连接节点进行了有限元参数分析，得到了以下结论：

1)套筒厚度对节点的刚度和极限承载力有着较为显著的影响，但其增厚至一定程度后就不能作为影响刚度和承载力的主要参数。

2)套筒高度对节点的刚度和承载力无明显影响，但在合理范围内增加套筒高度可以一定程度上改善节点的耗能性能，满足抗震需求。

3)当轴压比小于0.6时，轴压比的提高可以提升节点的刚度和承载力，但提升效果有限；当轴压比超过0.6时，节点的刚度和承载力下降，且滞回曲线出现“捏缩现象”，可见此类节点的轴压比宜控制在0.6左右。

4)混凝土强度的增长可以提高节点的刚度和承载力，但对节点的抗震性能影响较小。