套筒式鋼管混凝土梁柱節(jié)點試驗研究

張莉若1  湯中發(fā)2  王明貴1

(1.中國建筑科學研究院北京100013;2.北京科技大學 北京100083)

摘  要：本文提出了一種新型套筒式鋼管混凝土柱－H型鋼梁的連接節(jié)點形式，并通過對兩個傳統(tǒng)加強環(huán)式梁柱節(jié)點和兩個新型套筒式梁柱節(jié)點在循環(huán)荷載作用下的抗震性能進行了理論計算和試驗比較，分析和研究了套筒式節(jié)點的承載能力及滯回性能。結果表明套筒式節(jié)點抗震延性好，能滿足設計要求，可用于多層或小高層住宅建筑中，并給出了這種節(jié)點設計構造建議。

關鍵詞：套筒式鋼管混凝土梁柱節(jié)點；試驗研究；承載力；變形性能

Experimental Research on Concrete Filled Steel Tubular Column to Steel Beam Connections Using Sleeve

Zhang Liruo1   Tang Zhongfa2   Wang Minggui1

（1.China Academy of Building Research , Beijing 100013;2.Uiniversityof science and technology of Beijing , Beijing  100083）

[Abstract]  A new type of joint for concrete filled steel tubular column to H steel beam connections using sleeve is presented in this paper. Then we have carried out theoretic calculation and experimental research on the traditional reinforced ring connections and the new sleeve connection to analyze and study their load-bearing performance and deformation capability. The results show that the joint with sleeve has good anti-seismic ductility and meets the design requirements. This joint may be used in multi-story or sub-high-rise residential buildings with steel structure, and a detailed joint design is suggested for the new type.

[Key words] concrete filled steel tubular column to steel beam connections using sleeve; experimental research; load-bearing performance; deformation capability

鋼結構中，當采用鋼管混凝土柱與H型鋼梁結構時，其梁柱節(jié)點常用環(huán)板式，如圖1所示[1]。但這種節(jié)點在住宅建筑中有時滿足不了建筑的需要，它不僅在室內露下環(huán)板，而且外墻（尤其是墻板）也不便安裝。文獻[2]將邊柱和角柱的環(huán)板直接切除，這種做法未見到科學依據(jù)。對此，我們提出套筒式的節(jié)點，如圖2所

示。由于鋼管混凝土柱的管壁較薄，不宜直接焊接H型鋼梁，可選用一節(jié)鋼套筒來加強和保護柱在節(jié)點區(qū)不被先拉壞，并通過套筒來承載和傳力。鋼套筒與鋼管柱要有可靠連接，除在套筒上下邊采用角焊縫外，還要在中間加一些塞焊點，然后將H型鋼梁與套筒進行常規(guī)的栓焊混合連接。為了加強梁根部的受力能力，還應在梁上下翼緣加蓋板,或部分削弱梁翼緣形成“狗骨”式以減少梁根部的應力集中。我們經計算分析和試驗對比，研究套筒式和環(huán)板式這兩種節(jié)點的承載力和變形性能，并給出套筒式節(jié)點的設計構造建議。

1、計算分析

為了從理論上分析套筒式節(jié)點的可行性，我們用ANSYS程序計算了套筒式節(jié)點的受力情況，有限元計算網格劃分見圖3所示�；炷�土采用單元庫中的實體8節(jié)點混凝土單元SOLID65，鋼管、套筒、鋼梁采用實體8節(jié)點單元SOLID45，這兩種單元在每個節(jié)點均有三個自由度：沿x，y，z，方向的平移，滿足了在有限元分析中節(jié)點自由度的協(xié)調要求。由于套筒在受梁翼緣的拉力作用后，套筒與鋼管壁會發(fā)生脫離，在套筒與鋼管壁之間的接觸面上設置一個接觸對，來模擬兩者之間的相互作用。套筒與鋼管壁之間的目標單元和接觸單元分別采用支持三維面-面接觸分析的TARGE170和CONTA174。采用手工單元網格劃分的方法使單元的劃分保持協(xié)調，即各組件在相鄰邊界處節(jié)點重合具有相同的坐標值，但具有不同的節(jié)點編號。

鋼管柱采用Φ326mm×8mm，鋼梁采用H300×150×6.5×9mm。以梁柱節(jié)點為中心，鋼管柱上下各取層高的一半(Lc=1.5m)，鋼梁左右各取半跨梁長(Lb=1.5m)，組成一個平面十字形模型，鋼材采用Q345B。鋼管內澆注C40混凝土。材料力學性能取與表1試驗值相同。

在柱軸向壓力1000kN及梁端反對稱荷載為0.8Py（注：計算模型的Py=141kN）的作用下，梁自由端的撓度為13mm， 節(jié)點區(qū)域的最大變形出現(xiàn)在套筒與梁受拉翼緣的焊接處，鼓出變形值為0.8mm。從節(jié)點區(qū)域的Mises應力分布來看：各組件均處于彈性工作狀態(tài)，套筒的高應力區(qū)主要集中在梁受拉翼緣焊接處，套筒在梁受壓翼緣處的應力相對受拉翼緣處小。

保持柱軸向力不變，在梁自由端施加屈服荷載Py時，梁自由端的撓度為18.14mm，套筒的最大鼓出變形值為1.11mm。節(jié)點區(qū)域的Mises的應力分布規(guī)律與上述情況一致，套筒在梁受拉翼緣作用下的高應力區(qū)域向四周擴散，此時鋼梁的受拉翼緣和受壓翼緣的平均應力均已達到屈服應力。套筒在梁受拉翼緣處的拉應力區(qū)大部分已達到或接近屈服應力，套筒在受壓翼緣處壓應力區(qū)的應力小于受拉區(qū)的應力。在梁受拉翼緣的位置沿套筒一周定義路徑P1，該路徑上套筒的環(huán)向應力σθ的分布圖如4所示，在套筒與鋼管柱之間的角焊縫處沿鋼管一周定義路徑P2，在塞焊縫的位置沿鋼管一周定義路徑P3，這兩路徑上鋼管的環(huán)向應力σθ的分布圖分別見圖5和圖6所示�？梢�，鋼管仍處于彈性工作狀態(tài)，具有較大的強度儲備。

當梁端荷載繼續(xù)增加時，梁根部受拉翼緣兩側角點處的焊縫首先達到塑性狀態(tài)而被認為破壞，其次是塞焊縫處達到塑性狀態(tài)，其他位置均處于彈性狀態(tài)。通過有限元的計算分析可知節(jié)點處應力的傳遞路徑：梁端彎矩和剪力通過焊縫和連接腹板傳遞給套筒，再通過套筒與鋼管之間的角焊縫和塞焊縫傳遞給鋼管混凝土柱。計算表明套筒式節(jié)點能滿足設計承載力要求。

2、試驗對比分析

為了比較套筒式節(jié)點和環(huán)板式節(jié)點的受力性能，我們做了兩個套筒式節(jié)點試件和兩個環(huán)板式節(jié)點試件，試件尺寸和材料都相同，并與計算模型一致，試驗加載裝置設計如圖7所示,試驗試件見圖8、圖9所示。

2.1材料力學性能試驗

制作試件的材料和實際工程中的材料一樣。鋼管內澆注C40混凝土，混凝土自鋼管上口灌入，采用內部振搗器搗實，試驗取同等養(yǎng)護條件的150mm×150mm×150mm的混凝土立方體試塊測定其抗壓強度f_cu,k，并換算成混凝土軸心抗壓強度標準值f_ck。鋼管、鋼梁等所用鋼材一律采用Q345B，用E50型焊條進行手工焊接，試驗前分別在鋼管和型鋼梁的腹板上取300mm×30mm(長×寬)的板條進行拉伸試驗。試件的材料力學性能見表1。

               鋼材與混凝土的力學性能(單位：MPa)                   表1                

2.2試驗方案

鋼梁的材料采用Q345B，鋼材的屈服點和抗拉強度采用試驗值。則鋼梁的梁端翼緣達到屈服時，對應在梁自由端施加的集中力為P_y。

P_y＝f_yW_n/（L_b-D/2）＝385×490/（1500－163）＝141kN              (1)

在考慮了柱的長細比影響和偏心矩影響后鋼管混凝土柱的承載力：

N_u＝φ_lφ_eN₀＝0.91×0.204×5880＝1091kN                       (2)

綜合考慮試驗設備條件，確定在柱頂施加1000kN的豎向軸心壓力。

節(jié)點低周反復荷載試驗采用力-位移加載制度。試驗加載步驟為：(1)在柱頂施加1000kN的豎向軸心壓力，并在整個試驗過程中保持恒定；(2)采用分級加載制度，根據(jù)梁端屈服荷載確定在梁自由端施加反復荷載的大小，每級荷載循環(huán)往復一次。在鋼梁梁端達到屈服以前用荷載控制，各級荷載分別為梁端屈服荷載P_y的20%，40%，60%，80%，90%。(3)達到屈服荷載以后用位移控制，位移級差為屈服荷載所對應的梁端加載點的位移Δy，直至試件破壞，停止試驗。為了考察環(huán)板式節(jié)點和套筒式節(jié)點在加載過程中的應力應變變化，在鋼管柱表面、加強環(huán)、套筒及鋼梁的翼緣上布置了若干應變片。所有應變片、百分表以及梁端的反對稱荷載的數(shù)據(jù)均通過YE2539靜態(tài)應變儀自動采集系統(tǒng)自動采集，柱頂荷載數(shù)值直接由液壓機讀出。

2．3 承載力比較

保持柱頂荷載不變，在梁端施加循環(huán)往復荷載，當在梁自由端施加的荷載很小時，結構基本處于彈性工作狀態(tài)，卸載時構件基本能恢復到初始狀態(tài)。當荷載逐漸增大直至梁端屈服時，卸載時梁自由端不能回復到初始位置。同一種的兩個試件試驗結果基本一致：

1）環(huán)板式試件當荷載達到0.8P_y時，梁自由端的撓度達到14mm，卸載時殘余撓度為1.9mm，環(huán)板和梁的翼緣均沒有明顯的變形。當荷載達到屈服荷載P_y時，梁翼緣和環(huán)板間的焊縫應變達到屈服，且有向外鼓出的現(xiàn)象，并逐漸增大。此時節(jié)點仍然具有很強的承載力，從應變采集儀上讀出梁自由端的撓度Δy為19mm。此后加載以位移控制，當位移以2Δy循環(huán)時，梁翼緣處的應變繼續(xù)增加，節(jié)點仍具有一定的承載能力。當位移為3Δy時，承載力降低很明顯，梁翼緣的平均應變達到13000με，節(jié)點處的塑性轉動較大，梁自由端豎向殘余變形為44mm，梁翼緣和環(huán)板在其對接焊縫處的鼓出變形增大，鋼梁腹板和連接板產生凹凸不平的翹曲，對接焊縫處有開裂，呈現(xiàn)較為明顯的彎曲破壞形式。

2) 套筒式試件當荷載達到0.8P_y時，梁自由端的撓度達到15mm，卸載時殘余撓度為1.9mm，套筒和梁的翼緣均沒有明顯的變形。當荷載達到屈服荷載時，梁翼緣的平均應變均達到屈服，套筒與梁翼緣連接處由于應力集中導致環(huán)向拉應變達到屈服，套筒在與梁受拉翼緣處略向外鼓出，鋼梁沒有明顯的變形，此時從應變采集儀上讀出梁自由端的撓度Δy為18mm。此后加載以位移控制，當位移以2Δy循環(huán)時，套筒在梁受拉翼緣處的鼓出很明顯，節(jié)點的轉動增大。當位移為3Δy時，梁翼緣處的平均應變達到12000με，節(jié)點處的塑性轉動較大，梁的自由端豎向殘余變形為36mm，套筒壁被受拉梁翼緣從尖角處拉裂。由于蓋板對梁翼緣的加強，梁的受壓翼緣并未出現(xiàn)局部失穩(wěn)的現(xiàn)象。

2．4節(jié)點的延性

兩種試件的荷載－位移(P~Δ)滯回曲線見圖10與圖11，從圖中可以看出，本次試驗的4個試件的滯回曲線相當穩(wěn)定，基本上沒有剛度退化的現(xiàn)象，曲線的形狀均飽滿呈現(xiàn)出標準的梭形，未出現(xiàn)捏縮現(xiàn)象，反映出加強環(huán)式節(jié)點和套筒式節(jié)點均具有很好的抗震性能，節(jié)點的延性系數(shù)均在3~4之間。

4個節(jié)點試件在達到屈服荷載時，節(jié)點的初始剛度均相似于典型的梁端單調加載的情況，卸載后構件基本上能恢復到初始的位置。試件屈服后，在對梁端施加2次循環(huán)荷載后，4個試件在達到3Δy時開始破壞，在梁端施加的最大荷載及節(jié)點的極限轉角θmax見表2所示�？梢钥闯黾訌姯h(huán)式節(jié)點的角變形比套筒式節(jié)點略大，可以將套筒式節(jié)點視為剛性節(jié)點。

表2 兩種節(jié)點的試驗結果                     

2．5 鋼梁的全塑性受彎承載力和極限受彎承載力的比較

試件的極限受彎承載力與梁的全塑性受彎承載力見表3所示�？梢娞淄彩焦�(jié)點能滿足文獻[5]中公式8.2.8-1中所要求的M_u≥1.2M_p的規(guī)定。

表3 極限受彎承載力M_u與梁的全塑性受彎承載力M_p

3 設計建議與結論

為了保證節(jié)點的強度，套筒的壁厚t建議取Max(1.2t_c，1.2t_f)，其中t_c、t_f分別為鋼管壁厚和梁翼緣厚；套筒的高度h建議取h_b+10t，其中h_b為梁截面高度。套筒兩端加工成內倒角與柱壁形成V型坡口焊接，梁翼緣附近的塞焊孔也是必要的。

通過節(jié)點試驗可以得出如下結論：

(1) 環(huán)板式節(jié)點試件的實際抗彎承載能力是梁最大彎矩設計值的1.56~1.67倍，套筒式節(jié)點試件是1.48~1.52倍；而且節(jié)點的極限受彎承載力與梁全塑性受彎承載力均能滿足條件 M_u≥1.2M_p ，所以，在施工質量有保證的前提下，套筒式節(jié)點是能夠滿足設計要求的；

(2) 套筒式節(jié)點的轉角位移較小，節(jié)點的抗彎模量較大，節(jié)點為剛性；

(3) 在相同的幾何尺寸和軸壓比下，套筒式節(jié)點有很好的延性，抗震性能與環(huán)板式節(jié)點相當；

（4）套筒式節(jié)點易于滿住宅建筑的某些要求，且結構布置靈活，可在多層或小高層鋼結構住宅建筑中應用。對高層或超高層建筑的應用還有待研究。

參考文獻

1．《鋼管混凝土結構設計與施工規(guī)程》（CECS28：90）。

2． 高光虎，高層及多層鋼結構住宅設計。建筑鋼結構進展，2001，（3）。

3． 蘇恒強、蔡健、姚大鑫等，鋼管混凝土加強環(huán)式節(jié)點的試驗研究。華南理工大學學學報(自然科學版)，2004，(1)。

4． 張莉若、王明貴，鋼-混凝土組合結構梁柱節(jié)點承載力試驗研究。建筑科學，2003，(5) 。

5．《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011-2001）。