疊合柱新型梁柱節(jié)點力學(xué)性能與施工方法研究
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羿生鉆
（中鐵城建集團(tuán)北京工程有限公司，北京 100024）
[摘要]對鋼管混凝土疊合柱梁柱節(jié)點進(jìn)行了設(shè)計，將鋼筋貫穿核心鋼管，對其進(jìn)行了單調(diào)加載和循環(huán)加載的有限元模擬。并結(jié)合唐山某工程，對貫穿型節(jié)點設(shè)計方法進(jìn)行了改進(jìn)，嘗試了彎起型節(jié)點。對兩種節(jié)點的剛度、承載力等性能進(jìn)行了比較。研究結(jié)果表明：兩種節(jié)點的整體滯回性能和承載力、剛度很相近，均具有良好的承載力、延性及耗能能力。此外，還對疊合柱施工工藝進(jìn)行了研究。
[關(guān)鍵詞]鋼管混凝土疊合柱；力學(xué)性能；有限元分析(FEM)；施工工藝
[中圖分類號]TU31[文章編號]1002-8498( 2016) 10-0030-03
鋼管混凝土疊合柱是一種新型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)件，它是由鋼管混凝土外包鋼筋混凝土而成的柱，也可看成是在鋼筋混凝土柱內(nèi)置鋼管混凝土而成，如圖1所示。鋼管混凝土疊合柱一現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁連接節(jié)點的可靠性對結(jié)構(gòu)安全至關(guān)重要。針對工程中的鋼管混凝土疊合柱一鋼筋混凝土梁節(jié)點的施工構(gòu)造方式，進(jìn)行承載性能及抗震性能研究。
本文對《鋼管混凝土疊合柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CECS188: 2005中的疊合柱節(jié)點形式進(jìn)行了研究，采用了鋼板翅片轉(zhuǎn)換型連接的截面形式。首先嘗試了將所有梁縱向鋼筋穿過核心鋼管的辦法，并在其基礎(chǔ)上將混凝土梁兩側(cè)縱筋穿過外圍加強環(huán)及翅板，中間鋼筋在核心鋼管前向下（或向上）彎起，從而保證核心厚鋼管不被削弱。通過有限元軟件，對兩種節(jié)點形式的承載力、剛度、延性、變形性能以及應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)分析，為工程設(shè)計、施工提供重要參考依據(jù)。
1 有限元模型建立
1.1 單元選取
在試驗研究基礎(chǔ)上，運用有限元軟件ABAQUS對試件進(jìn)行三維非線性精細(xì)有限元分析。鋼管采用S4R四節(jié)點薄殼單元，混凝土采用C3D8R八節(jié)點實體單元，縱向鋼筋及箍筋采用三維truss單元，忽略鋼筋與混凝土之間的滑移效應(yīng)，通過EMBED命令實現(xiàn)鋼筋和混凝土的協(xié)同工作。
1.2 材料本構(gòu)模型
試件采用的鋼材強度等級均為Q345B，鋼筋綁扎和鋼管內(nèi)混凝土及普通混凝土的澆筑養(yǎng)護(hù)等工作均按實際施工工序完成。柱混凝土強度等級C50，梁混凝土強度等級C35。鋼筋均采用3級鋼。
混凝土材料本構(gòu)關(guān)系采用塑性損傷模型，適用于模擬結(jié)構(gòu)構(gòu)件在往復(fù)荷載作用下混凝土材料的力學(xué)行為，并且能夠考慮材料在往復(fù)荷載作用下的損傷、裂縫開展、裂縫閉合及剛度恢復(fù)等行為；鋼材本構(gòu)關(guān)系取理想彈塑性應(yīng)力一應(yīng)變曲線，泊松比取0.3。采用Von Mises屈服準(zhǔn)則、相關(guān)流動準(zhǔn)則以及隨動強化準(zhǔn)則。在彈性和塑性加載階段都考慮幾何非線性以及大變形。
1.3荷載施加方式
有限元分析建模時，在柱上端設(shè)置參考點，并將參考點與柱橫截面耦合，通過施加在參考點的集中荷載來施加整個截面的均布荷載，實現(xiàn)軸心受壓。模型約束條件為：約束柱頂對稱中線的水平向平動自由度，約束柱底對稱中線的水平向和豎向的平動自由度，約束梁端水平向的平動自由度。
有限元加載模式首先在試件的柱頂施加軸壓荷載，軸壓比為0.3。此后在梁端施加反對稱單調(diào)荷載或反對稱低周反復(fù)荷載。
1.4兩種模型介紹
貫穿型節(jié)點混凝土梁縱筋直接穿過外圍加強環(huán)及翅板以及核心鋼管，具體處理如圖2所示。
彎起型節(jié)點混凝土梁兩側(cè)縱筋可穿過外圍加強環(huán)及翅板，中間鋼筋在核心鋼管前向下（或向上）彎起，保證一定的錨固長度。從而保證核芯厚鋼管不被削弱。具體處理如圖3所示。
2 有限元分析結(jié)果
2.1 單調(diào)荷載下兩種模型對比
采用位移控制加載，在梁端施加80mm的反對稱單調(diào)荷載。經(jīng)過ABAQUS的計算，貫穿型節(jié)點和彎起型節(jié)點的結(jié)果分別如圖4和圖5所示。
單調(diào)荷載作用下，相比于貫穿型節(jié)點，彎起型節(jié)點的混凝土最大應(yīng)力降低了4%，鋼筋最大Mises應(yīng)力基本沒有變化，鋼管最大Mises應(yīng)力提高5%。剛度從0. 6kN/mm提高到0.62kN/mm，提高3%，結(jié)構(gòu)的承載力從8. 63kN提高到9.66kN，提高12%。彎起型節(jié)點中有2種類型的鋼筋，既有直接貫穿的鋼筋，也有彎起的鋼筋。兩者共同受力對結(jié)構(gòu)的總體受力更有利，所以其剛度和承載力均有提高。
2.2 循環(huán)荷載下兩種模型對比
采用位移控制加載，位移增量取為14mm，在每級控制位移下反復(fù)2次。試件加載制度如圖6所示，最大位移荷載加至梁長的1/6，即84mm。通過計算后，貫穿型節(jié)點和彎起型節(jié)點的滯回曲線分別如圖7和圖8所示。
從圖中可以看出，試件的荷載．位移滯回曲線均比較飽滿，表明兩種節(jié)點形式的塑性變形能力均較強，具有較強的抗震性能。
3 施工工藝
3.1 鋼管制作
本文的新型鋼管混凝土疊合柱一混凝土梁連接節(jié)點的制備方法，具體包括以下步驟：①在工廠中，將翅片在鋼筋穿過的地方開孔；②將翅片與核心鋼管之間沿全長采用雙面角焊縫焊接；③上層鋼管和下層鋼管在翅片所在位置開槽，便于與翅片焊接；④將外圍加強環(huán)在鋼筋穿過的地方開孔。
3.2鋼管連接固定
將工廠預(yù)制的外圍加強環(huán)、翅片及核心鋼管組合體、上層鋼管、下層鋼管運送至施工現(xiàn)場后，按以下的施工步驟對疊合柱鋼管進(jìn)行施工。①將預(yù)先開槽的下層鋼管固定（見圖9a）；②將工廠預(yù)制的翅片及核心鋼管組合體放置在預(yù)先開槽的下層鋼管上，然后將翅片與下層鋼管焊接（見圖9b）；③將上層鋼管放置于工廠預(yù)制的翅片及核心鋼管組合體上，然后將上層鋼管與翅片焊接（見圖9c）；④將外圍加強環(huán)焊接于上層鋼管和下層鋼管上（見圖9d）。
3.3鋼筋綁扎
本文將梁縱筋主要分為3種，并相應(yīng)有3種處理辦法，如圖10所示。
1)未正對核心鋼管的梁外側(cè)縱筋，即圖10中A類縱筋，應(yīng)將其直接穿過外圍加強環(huán)及翅板。
2)正對核心鋼管且位于翅片兩側(cè)的梁縱筋，即圖10中C類縱筋，應(yīng)將其按規(guī)范焊于翅片上，縱向鋼筋與翅片之間的凈距可為10mm，其間可設(shè)置綁條或托板。
3)正對核心鋼管的區(qū)域，而又無法焊接于翅片上的鋼筋，即圖10中B類縱筋，應(yīng)將其末端終止于核心鋼管之前約20mm處，并且將其末端向下（或向上）彎折，保證足夠的錨固長度，錨固長度不應(yīng)少于200mm，從而保證核心厚鋼管不被削弱。
為了保證結(jié)構(gòu)安全，梁內(nèi)彎起鋼筋不應(yīng)超過梁縱筋的1/3。內(nèi)側(cè)鋼筋采用中間鋪設(shè)架立筋，保證四肢箍筋。
4 結(jié)語
1)無論是貫穿型節(jié)點，還是彎起型節(jié)點，都具有飽滿的滯回曲線。說明采用了鋼板翅片轉(zhuǎn)換型連接的截面形式的鋼管混凝土疊合柱具有良好的塑性變形能力。
2)在單調(diào)荷載下，彎起型節(jié)點的剛度、承載力都有一定的提升，說明彎起型節(jié)點的受力性能良好。但是應(yīng)根據(jù)工程實際情況，注意保證彎起錨固距離的長度，不宜過短。
3)施工中，鋼筋應(yīng)盡可能按規(guī)范直接貫穿翅片和外圍加強環(huán)，或者焊接錨固在翅片上。如果采用彎起鋼筋的辦法，由于在本論文有限元分析中，采用的梁彎起鋼筋占梁總鋼筋為1/3。故梁內(nèi)彎起鋼筋過多時，梁的力學(xué)性能會不會有較大改變，還需進(jìn)一步的力學(xué)試驗及更為詳盡的數(shù)值模擬驗證，故建議梁內(nèi)彎起鋼筋不應(yīng)超過梁縱筋的1/3。
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