钢管混凝土与型钢梁端板连接构件的静力性能分析

胡珊珊

（六安职业技术学院城市建设学院，安徽六安237158）

钢管混凝土因其优异的性能在工程建设中得到广泛的应用，钢管混凝土柱可以很好发挥钢材和混凝土两种材料的特点，钢管置于混凝土外侧，限制混凝土受压后的侧向变形，同时混凝土也加强了型钢的抗弯刚度。较普通混凝土，钢管混凝土柱可以承受更大的轴向压力。因此，钢管混凝土正逐步推广应用于高层和厂房结构中。节点是框架结构中连接梁和柱的关键受力部位，在抗震中应把握“强节点，弱构件”的设计原则[1]。目前，钢管混凝土与钢梁的连接形式分为焊接和螺栓连接两种[2]，其中端板高强螺栓连接的端板在工厂与梁端预先焊接在一起，避免了现场焊接的环境影响，在现场仅需要用高强螺栓连接，施工速度快，抗震性能好。国内外对平面型钢柱与钢梁端板连接的研究结果较为成熟，但对钢管混凝土柱与钢梁端板的连接研究较少[3]，笔者通过静力试验对钢管混凝土柱与钢梁端板连接节点处的受力特征、刚度和破坏模式等进行分析研究。

1 试验准备

相比于中柱节点的双向受力，边柱节点不对称，水平方向受力不均衡，研究更具代表性[4]。本试验共采用了截面形式为圆弧形的2 个不同厚度端板的连接形式，端板厚度分别为12mm 和16mm，相应构件分别定义为GJ1 和GJ2。端板预先在工厂加工完成，采用双面角焊缝连接。钢管柱的截面尺寸b×t 为200mm×10mm，型钢梁截面尺寸hb×tw×tf×bf为300mm×150mm×6mm×10mm。连接螺栓采用10.9级M20 摩擦型高强螺栓，并在螺母端部焊接加长螺纹钢，以增强锚固作用，提高节点的整体性和刚度。试验中的各种材料钢材、混凝土和高强螺栓等均进行了材性试验。为了测量节点核心区的应力分布和端板应变，在构件上布置了单向和多向电阻应变片，并放置了位移计测量位移和转角，如图1所示。

图1 位移计放置图

在正式加载前，先对结构进行预加载，并对钢管混凝土柱按照预设轴压比0.2 进行加载。为了避免节点处梁端出现不易控制的较大变形[5]，对梁端的加载采用位移控制的单调静力加载模式。

2 试验结果分析

2.1 破坏形态

GJ1 在破坏时端板已进入屈服阶段，发生了较大起鼓变形，脱离了钢管柱，梁端下翼缘也发生凹曲变形。GJ2 在破坏时，端板仍然处于弹性阶段，并无明显变形，梁端下翼缘发生了较大程度的凹曲变形，并伴有腹板的屈曲变形。较GJ1 而言，虽然GJ2 的较厚端板仍处于弹性状态，但梁却表现得更加薄弱。这表明节点的破坏模式与端板厚度有直接关联。破坏时，GJ1和GJ2 节点核心区钢管内的混凝土由于受到钢管的保护并未出现裂缝，螺栓周边的混凝土出现轻微松动和脱落，这是由于梁端的屈曲变形拉动螺栓，降低了螺栓的承载能力引起。钢筋与螺栓的焊接处完好，表明了节点核心区保持了可靠的整体性。钢管混凝土柱并未发生屈曲变形，内部连接件也完好，这也印证了“强柱弱梁”的抗震设计原则[6]。

2.2 节点荷载变形关系

框架节点是结构受力的核心部位，常通过M- θr关系反映变形特征。当节点发生屈服变形时，刚度明显降低，承载力也随之下降。只有控制好节点的变形，才能保证节点良好的传力性能。试验通过MTS 液压伺服加载系统自动记录节点梁端的竖向荷载和位移，研究连接件的变形特点[7]。

试验得到的节点M- θr关系曲线如图2所示，其中细实线表示GJ1，粗实线表示GJ2。①号位置表示连接端板脱离钢管混凝土柱的时刻；②号位置表示梁受压区翼缘发生屈服变形的时刻。试验发现，当连接板脱离柱壁时，GJ2 所承受弯矩大于GJ1，转角变形量小于GJ1。梁受压翼缘屈曲时，GJ2 的转角变形量远小于GJ1。这说明，对于同种类型的连接件，适当增加端板厚度可以增大节点连接的强度和刚度，且此类节点的延性较好，有较大的安全储备能力。曲线下降段，相同转角变形的情况下，GJ2 所受弯矩值略高于GJ1，这是由于梁的较大变形所致。

图2 M-θr 关系曲线

2.3 钢梁应变分析

为了研究钢梁梁端的应变分布，沿梁高分别在上翼缘、腹板和下翼缘及对称部位布置了多个应变片。试验结果表明，当钢梁处于弹性阶段时，梁端应变沿梁截面成线性分布，符合平截面假定；当荷载大于极限荷载的50%时，梁端截面应变呈现非线性变化。从试验数据看出，端板厚度对梁端截面应变分布的影响并不明显。通过钢梁翼缘位置应变的变化规律发现，靠近梁端的翼缘位置应变较大，远离梁端的翼缘位置应变较小。由距离梁端最近位置的应变片的数据可知，该位置梁翼缘率先屈服，屈服应变达到约1800με。试验发现，GJ2 的端板厚度较大，梁端翼缘应力值比GJ1 相应位置较小。

2.4 端板应变分析

GJ1 和GJ2 的端板应变分布情况对比如图3所示。GJ1 端板在最大受压和受拉位置基本达到屈服，屈服应变约1600με；GJ2 端板在极限荷载作用下，并未发生屈服，最大应变约占屈服应变的0.75。这表明，在其他条件相同的情况下，端板厚度对端板应变分布的影响较明显。

2.5 钢柱应变分析

通过钢管最大弯矩位置翼缘纵、横向的应变分布发现，GJ2 的柱翼缘各应变片的应变略小于GJ1，钢管翼缘纵向与横向在极限荷载下的最大应均小于屈服应变1850με，整个钢管处于完全弹性状态。

GJ1 和GJ2 钢管柱腹板位置的应变分布情况如图4所示。39# 应变片表示柱腹板纵向应变，40# 应变片表示柱腹板45°斜向应变，41# 应变片表示柱腹板横向应变。分析可知，2 个试件的钢管柱腹板横向应变最大，45°次之，纵向应变最小；连接端板厚度较大时，柱腹板应变较小，说明端板厚度在一定程度上影响钢管混凝土柱的应变分布。

图4 钢管柱腹板的应变分布

3 非线性分析

运用ABAQUS 软件对试验钢管混凝土端板连接构件建立模型，并进行单调加载下的非线性有限元模拟，验证试验结果并分析连接节的各种破坏模态。图5为外伸端板连接节点试验弯矩-转角关系曲线与非线性模拟的对比，结果发现计算机模拟结果与试数据果吻合程度较好。

图5 试验弯矩- 转角关系曲线与软件计算曲线对比

通过有限元软件分析钢管混凝土端板连接的连接端板破坏、钢管柱破坏和螺栓破坏三种形态[8]。模拟分析发现，端板破坏时，端板的最大应力发生在受拉翼缘焊接位置，端板形成塑性铰。如果钢管柱壁设计较薄弱，在梁端拉力作用下，螺栓从节点拔出从而丧失承载能力[9]，钢管柱破坏不符合“强柱弱梁”的设计要求[10]，工程中应避免。若螺栓设计较少或强度不足，则会发生螺栓被拉变形甚至发生断裂。螺栓破坏属于脆性破坏，螺栓一旦失效，则丧失构件对节点核心区的传力，因此工程中应合理设计保证螺栓连接有足够的可靠性。分析发现，第一排螺栓的受力和变形较大，在设计时应当予以适当加强。

4 结论

通过对两组钢管混凝土不同厚度端板连接构件的静力加载试验，对节点的受力特征、M- θr关系、破坏模式和关键部位的应力应变分布进行了分析，得出如下结论。

（1）在连接件的螺栓尾部焊接螺纹钢筋，可以提高连接件的整体受力性能和刚度。在合理设计的条件下，端板和梁先于钢管柱破坏，钢柱没有发生屈服，满足“强柱弱梁”的设计要求。适当增加连接板厚度，可以降低转角变形量，增加整体刚度。

（2）型钢梁应变分析可知，端板厚度虽然对梁端截面应变分布的影响并不明显，但随着端板厚度增大，梁端翼缘应力值变小。连接端板在增加端板厚度后，并未发生屈服，保持弹性，具有较强刚度。

（3）运用有限元软件建模分析了连接件的受力性能和破坏特征，与试验结果吻合，并分析了连接端板破坏、钢管柱破坏和螺栓破坏三种形态的破坏特征，为设计提供依据。

综上所述，笔者所研究的这种钢管混凝土端板连接具有较好的强度、刚度和延性，可在组合框架结构的节点中推广使用。