装配式钢-混凝土组合框架受力性能有限元研究

张雯 梁朋

装配式结构是指主要受力构件和部件采用工厂生产，并通过现场装配连接而形成的结构形式。与传统的混凝土结构现浇建造方式相比，建筑装配式技术具有提高施工质量、缩短施工工期、降低能耗的优势，是国际上公认的可持续发展技术[1]。近年来，我国提倡在建设中推广“产业化模式”，万科、远大、西伟德等企业在工程中开始探索实践预制混凝土（PCa）装配式技术[2]。同时，相关的标准化图集与装配式技术规范的陆续推出，尤其是国家行业标准《装配式混凝土结构技术规程》《装配式钢结构建筑技术标准》《装配式钢结构住宅建筑技术标准》的颁布与实施，使得标准化的装配式技术开始有据可依。型钢混凝土、钢管混凝土等组合结构具有钢结构和钢筋混凝土结构的双重优点，此类组合结构在我国多层、高层建筑中得到越来越广泛的应用[3]。本文结合装配式建筑、钢管混凝土和型钢混凝土构件的优点，提出一种装配式钢管混凝土柱-型钢混凝土梁框架结构体系，以适应建筑工业化的发展要求。

ABAQUS 有限元分析软件因其具有使用简便、较高的非线性分析精度等特点，在机械、土木等领域已得到广泛应用。本文采用ABAQUS 软件进行两榀装配式钢-混凝土组合框架在竖向静力荷载作用下的受力性能研究，这两榀框架采用H 型钢混凝土梁，方钢管核心混凝土柱，节点分别使用全焊接连接与栓-焊混合连接。

1.试件设计与材料本构

有限元分析试件采用装配式组合结构框架1/3 缩尺模型，梁净跨1000mm，柱高1000mm，梁型钢采用HN100mm×50mm×5mm×7mm，配HRB400 纵筋、箍筋，柱外包方钢管型号为□140mm×140mm×5mm，钢材强度等级为Q235，混凝土强度等级为C35，高强螺栓采用8.8 级。H 型钢通过加强环、端板与方钢管连接，加强环、端板焊接于方钢管壁，加强环与H 型钢翼缘在同一水平面处，端板与H 型钢腹板处在同一竖直面内。试件PCF1 节点处H 型钢与加强环、端板全焊接连接；试件PCF2节点处H 型钢翼缘与加强环焊接，H 型钢腹板与端板通过双盖板高强螺栓连接，试件PCF2 钢结构部件如图1 所示。

混凝土本构关系采用ABAQUS 自带的塑性损伤模型，型钢、钢筋、高强螺栓采用二折线应力-应变关系。

2.单元类型与约束条件

ABAQUS 软件有限元模型可选用实体单元、壳单元、桁架单元及梁单元等进行应力分析，根据试件的材料与几何形状，除钢筋选用桁架单元之外，其余构件按实体单元C3D8R 进行计算。

钢筋、螺栓内置于梁混凝土之中，以提高分析效率；梁中混凝土与H 型钢重叠的部分对混凝土部件进行切割；并将所有钢构件装配为一个整体，以考虑板件之间的焊接连接。梁上两个竖向集中力通过刚性加载板施加，柱底约束采用与参考点耦合的固定连接。

图1 PCF2 钢结构部件

3.网格划分与荷载方案

网格划分是有限元模型计算精度与效率的重要影响因素，划分前首先对整体模型布种，然后在钢板厚度方向“按边布种”，布置2 个种子，最后进行整体网格划分。

两点竖向集中荷载对称作用于梁净跨三分点处，以位移形式通过耦合特征点作用于梁顶加载板处，通过ABAQUS 场输出文件的竖向反力确定极限荷载。

4.有限元分析结果

通过ABAQUS 软件后处理模块，可得到框架破坏过程、混凝土开裂情况、应力云图、反力、位移等结果。

图2 PCF1 梁混凝土等效塑性应变云图

图3 荷载-位移关系曲线

PCF1 框架由于剪跨比较小，极限状态为梁支座处受剪破坏。方钢管近节点处由于环板变形而受压，柱底由于固定连接亦出现较大应力；由于钢管内灌注混凝土，提高了稳定性与抗压能力，钢管未出现压屈现象。节点处H 型钢腹板、端板与加强环进入塑性状态，说明了剪力大于弯矩，梁上出现受剪破坏。梁端出现塑性铰区域，说明该连接方式保证了“强节点弱构件”“强柱弱梁”的设计要求。跨中梁底混凝土受拉开裂，节点处梁顶、柱顶混凝土因为负弯矩的存在也产生了开裂；节点处梁侧面混凝土及梁跨中顶部混凝土出现较大压应力而压碎，呈现剪压破坏特征，混凝土PEEQ 云图如图2 所示。

PCF2 总体破坏情况与PCF1 相似，局部应力分布有些许不同。节点处方钢管柱上也出现了塑性区。由于极限状态为梁支座处受剪破坏，此处双盖板高强螺栓连接比较PCF1 相当于对H 型钢腹板进行了加强，抗剪能力得到了提高，因此支座混凝土压碎区域较小，梁跨中顶部混凝土压碎区域较大。高强螺栓盖板未出现明显变形，说明高强螺栓连接传力较为可靠[4]。

根据两试件的荷载-位移关系曲线（如图3 所示）可知，栓-焊连接PCF2试件的极限荷载高于全焊接连接PCF1 试件约8.5%，说明高强螺栓连接保证了传力的可靠性。两种连接方式在静载作用下受力性能相差不大，但在实际工程中，现场全焊接节点质量较难保证，且焊接部分较多，要求采取控制焊接残余变形和残余应力的相关措施，以保证连接处不出现脆性断裂。栓-焊连接节点在保证构造要求的情况下不容易出现全焊接节点的脆断现象，但螺栓处形状复杂，混凝土浇筑时较难密实，若振捣不到位，容易出现孔洞，引起混凝土过早开裂或压碎。因此设计时应按照工程特点及现场施工的实际条件选择合适的连接方式，以保证节点关键部位的连接质量与受力性能，最大限度地利用材料，从而满足住建部推动新型建筑工业化可持续发展的要求。

5.结语

（1）两榀有限元模拟框架试件由于剪跨比较小，极限状态为梁支座处的受剪破坏，方钢管柱未出现压屈现象；

（2）节点处钢构件进入塑性状态，塑性铰位于梁端；

（3）栓-焊连接竖向荷载大于全焊接连接8.5%，差别不大，设计时应根据实际情况进行连接方式的选择。