叠合柱新型梁柱节点力学性能与施工方法研究

 羿生钻

 （中铁城建集团北京工程有限公司，北京  100024）

[摘要]对钢管混凝土叠合柱梁柱节点进行了设计，将钢筋贯穿核心钢管，对其进行了单调加载和循环加载的有限元模拟。并结合唐山某工程，对贯穿型节点设计方法进行了改进，尝试了弯起型节点。对两种节点的刚度、承载力等性能进行了比较。研究结果表明：两种节点的整体滞回性能和承载力、刚度很相近，均具有良好的承载力、延性及耗能能力。此外，还对叠合柱施工工艺进行了研究。

[关键词]钢管混凝土叠合柱；力学性能；有限元分析(FEM)；施工工艺

[中图分类号]TU31[文章编号]1002-8498( 2016) 10-0030-03

 钢管混凝土叠合柱是一种新型钢筋混凝土结构抗震构件，它是由钢管混凝土外包钢筋混凝土而成的柱，也可看成是在钢筋混凝土柱内置钢管混凝土而成，如图1所示。钢管混凝土叠合柱一现浇钢筋混凝土梁连接节点的可靠性对结构安全至关重要。针对工程中的钢管混凝土叠合柱一钢筋混凝土梁节点的施工构造方式，进行承载性能及抗震性能研究。

 本文对《钢管混凝土叠合柱结构技术规程》CECS188: 2005中的叠合柱节点形式进行了研究，采用了钢板翅片转换型连接的截面形式。首先尝试了将所有梁纵向钢筋穿过核心钢管的办法，并在其基础上将混凝土梁两侧纵筋穿过外围加强环及翅板，中间钢筋在核心钢管前向下（或向上）弯起，从而保证核心厚钢管不被削弱。通过有限元软件，对两种节点形式的承载力、刚度、延性、变形性能以及应力分布规律进行系统分析，为工程设计、施工提供重要参考依据。

1  有限元模型建立

1.1  单元选取

 在试验研究基础上，运用有限元软件ABAQUS对试件进行三维非线性精细有限元分析。钢管采用S4R四节点薄壳单元，混凝土采用C3D8R八节点实体单元，纵向钢筋及箍筋采用三维truss单元，忽略钢筋与混凝土之间的滑移效应，通过EMBED命令实现钢筋和混凝土的协同工作。

1.2  材料本构模型

 试件采用的钢材强度等级均为Q345B，钢筋绑扎和钢管内混凝土及普通混凝土的浇筑养护等工作均按实际施工工序完成。柱混凝土强度等级C50，梁混凝土强度等级C35。钢筋均采用3级钢。

 混凝土材料本构关系采用塑性损伤模型，适用于模拟结构构件在往复荷载作用下混凝土材料的力学行为，并且能够考虑材料在往复荷载作用下的损伤、裂缝开展、裂缝闭合及刚度恢复等行为；钢材本构关系取理想弹塑性应力一应变曲线，泊松比取0.3。采用Von Mises屈服准则、相关流动准则以及随动强化准则。在弹性和塑性加载阶段都考虑几何非线性以及大变形。

1.3荷载施加方式

 有限元分析建模时，在柱上端设置参考点，并将参考点与柱横截面耦合，通过施加在参考点的集中荷载来施加整个截面的均布荷载，实现轴心受压。模型约束条件为：约束柱顶对称中线的水平向平动自由度，约束柱底对称中线的水平向和竖向的平动自由度，约束梁端水平向的平动自由度。

 有限元加载模式首先在试件的柱顶施加轴压荷载，轴压比为0.3。此后在梁端施加反对称单调荷载或反对称低周反复荷载。

1.4两种模型介绍

 贯穿型节点混凝土梁纵筋直接穿过外围加强环及翅板以及核心钢管，具体处理如图2所示。

 弯起型节点混凝土梁两侧纵筋可穿过外围加强环及翅板，中间钢筋在核心钢管前向下（或向上）弯起，保证一定的锚固长度。从而保证核芯厚钢管不被削弱。具体处理如图3所示。

2  有限元分析结果

2.1  单调荷载下两种模型对比

 采用位移控制加载，在梁端施加80mm的反对称单调荷载。经过ABAQUS的计算，贯穿型节点和弯起型节点的结果分别如图4和图5所示。

 单调荷载作用下，相比于贯穿型节点，弯起型节点的混凝土最大应力降低了4%，钢筋最大Mises应力基本没有变化，钢管最大Mises应力提高5%。刚度从0. 6kN/mm提高到0.62kN/mm，提高3%，结构的承载力从8. 63kN提高到9.66kN，提高12%。弯起型节点中有2种类型的钢筋，既有直接贯穿的钢筋，也有弯起的钢筋。两者共同受力对结构的总体受力更有利，所以其刚度和承载力均有提高。

2.2  循环荷载下两种模型对比

 采用位移控制加载，位移增量取为14mm，在每级控制位移下反复2次。试件加载制度如图6所示，最大位移荷载加至梁长的1/6，即84mm。通过计算后，贯穿型节点和弯起型节点的滞回曲线分别如图7和图8所示。

 从图中可以看出，试件的荷载．位移滞回曲线均比较饱满，表明两种节点形式的塑性变形能力均较强，具有较强的抗震性能。

3  施工工艺

3.1  钢管制作

 本文的新型钢管混凝土叠合柱一混凝土梁连接节点的制备方法，具体包括以下步骤：①在工厂中，将翅片在钢筋穿过的地方开孔；②将翅片与核心钢管之间沿全长采用双面角焊缝焊接；③上层钢管和下层钢管在翅片所在位置开槽，便于与翅片焊接；④将外围加强环在钢筋穿过的地方开孔。

3.2钢管连接固定

 将工厂预制的外围加强环、翅片及核心钢管组合体、上层钢管、下层钢管运送至施工现场后，按以下的施工步骤对叠合柱钢管进行施工。①将预先开槽的下层钢管固定（见图9a）；②将工厂预制的翅片及核心钢管组合体放置在预先开槽的下层钢管上，然后将翅片与下层钢管焊接（见图9b）；③将上层钢管放置于工厂预制的翅片及核心钢管组合体上，然后将上层钢管与翅片焊接（见图9c）；④将外围加强环焊接于上层钢管和下层钢管上（见图9d）。

3.3钢筋绑扎

 本文将梁纵筋主要分为3种，并相应有3种处理办法，如图10所示。

 1)未正对核心钢管的梁外侧纵筋，即图10中A类纵筋，应将其直接穿过外围加强环及翅板。

 2)正对核心钢管且位于翅片两侧的梁纵筋，即图10中C类纵筋，应将其按规范焊于翅片上，纵向钢筋与翅片之间的净距可为10mm，其间可设置绑条或托板。

 3)正对核心钢管的区域，而又无法焊接于翅片上的钢筋，即图10中B类纵筋，应将其末端终止于核心钢管之前约20mm处，并且将其末端向下（或向上）弯折，保证足够的锚固长度，锚固长度不应少于200mm，从而保证核心厚钢管不被削弱。

 为了保证结构安全，梁内弯起钢筋不应超过梁纵筋的1/3。内侧钢筋采用中间铺设架立筋，保证四肢箍筋。

4  结语

 1)无论是贯穿型节点，还是弯起型节点，都具有饱满的滞回曲线。说明采用了钢板翅片转换型连接的截面形式的钢管混凝土叠合柱具有良好的塑性变形能力。 

2)在单调荷载下，弯起型节点的刚度、承载力都有一定的提升，说明弯起型节点的受力性能良好。但是应根据工程实际情况，注意保证弯起锚固距离的长度，不宜过短。

 3)施工中，钢筋应尽可能按规范直接贯穿翅片和外围加强环，或者焊接锚固在翅片上。如果采用弯起钢筋的办法，由于在本论文有限元分析中，采用的梁弯起钢筋占梁总钢筋为1/3。故梁内弯起钢筋过多时，梁的力学性能会不会有较大改变，还需进一步的力学试验及更为详尽的数值模拟验证，故建议梁内弯起钢筋不应超过梁纵筋的1/3。