钢管混凝土梁柱外加强环板节点在装配式住宅中的应用研究

未晓丽 WEI Xiao-li；张永玲 ZHANG Yong-ling；乔茂珂 QIAO Mao-ke；李涛 LI Tao

（①河西学院土木工程学院，张掖 734000；②张掖市第一建筑工程有限责任公司，张掖 734000）

0 引言

近年来，随着社会的进步、技术的不断创新、可持续发展观念的不断深入及劳动力成本的急剧提高，住宅工业化的需求迫在眉睫。自2016年9月国务院办公厅发布《关于大力发展装配式建筑的指导意见》[1]后，国家及地方先后出台了一系列有关发展装配式建筑的政策纲要，为装配式建筑发展提供指导意见。2021年10月，中共中央、国务院印发了《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》[2]，其中明确指出：在城乡规划建设管理各环节全面落实绿色低碳要求。这为装配式建筑在住宅中的发展明确了方向，装配式建筑成为未来住宅建筑发展的必由之路。

装配式钢与混凝土组合结构体系相对于发展比较成熟的装配式混凝土结构体系和装配式钢结构体系来说，是一种新型结构体系，具有承载能力高、塑性和韧性好、制作和施工方便、耐火性能好及经济效益好等优点[3]。

1 新型装配式钢管混凝土梁柱节点构造

传统钢管混凝土组合框架结构的梁柱节点一般为整体式，节点构造如图1所示：钢梁及外加强环板与钢管柱焊接、钢梁之间焊接，导致现场焊接作业量较大，核心混凝土的浇筑也在现场完成，施工周期相对长、生产效率相对较低。

图1 整体式钢管混凝土梁柱外加强环板节点构造图

为了提高现场装配率，根据《钢管混凝土结构技术规范》（GB50936-2014）[4]，设计了一种十字形方钢管混凝土柱-钢梁外加强环板节点，节点构造如图2所示：钢管混凝土柱与钢梁及加强环板在工厂连接为整体，形成钢管混凝土柱钢梁节点域，现场只进行节点域梁端与钢梁焊接连接，即图2（b）和（c）所示部分的连接，较大程度地减少了现场焊接作业，缩短相应施工周期。为了验证提出的新型节点在装配式住宅中应用的可行性，建立了该类节点的有限元数值计算模型，对节点在柱顶竖向恒载和水平位移共同作用工况下的力学响应进行模拟。

图2 新型钢管混凝土梁柱外加强环板节点构造图

2 新型装配式钢管混凝土梁柱节点有限元模型

与传统的外加强环板节点相比，新型节点装配过程中一个重要的参数就是钢管混凝柱钢梁节点域梁端延伸长度a，如图2（b）中所示。为分析具有不同延伸长度的节点对梁柱力学性能的影响，本文应用ABAQUS有限元软件建立包含不同延伸长度节点的梁柱模型，模拟柱顶恒载和水平位移共同作用工况下梁柱力学响应。本文分别取延伸长度a等于80mm（1.1bf），100mm（1.3bf），120mm（1.6bf），200mm（2.7bf），280mm（3.7bf）（其中bf为梁宽），建立JD-S1至JD-S5 5个节点有限元模型（节点其他几何参数不变），节点详细尺寸信息如表1所示。

表1 JD-S系列节点尺寸基本信息

2.1 模型的建立

在建立的有限元模型中，钢管、钢梁、混凝土、加强环板均采用实体建模，钢管及钢梁材性选用韩林海（2007）[5]中二次塑流模型，强度选用Q345低碳合金钢。核心混凝土强度等级选用C40，本构模型选用ABAQUS中自带的混凝土塑性损伤模型。如图2（a）所示，钢管混凝土柱钢梁节点域与钢梁连接采用现场焊接的连接方式，需要预留10mm宽的焊缝。焊接时因为试件受热不均导致连接部位存在一定的残余应力，因此本文考虑了焊接的残余应力对结果的影响。在ABAQUS中进行焊缝模拟时，需要定义对流和热辐射两个边界条件。由于在焊接过程中，受焊缝处热源影响，整个钢材表面与周围环境进行传热，所以选取钢管及钢梁的所有外表面为对流热表面，具体热物理参数见表2。

表2 Q345钢主要热物理参数

由于本文重点不在于分析由于焊接造成的钢材残余应力的分布规律，故对热荷载的施加进行简化模拟，热流密度按照平均热流密度作用于焊缝处。热源模型采用高斯分布模型，热源以热流密度的形式施加在焊缝表面。热流密度参考高磊[6]通过下式计算：

式中：Q为输入热量；η为效率；U为焊接电压；I为焊接电流；R为电弧有效加热半径；r为计算位置到高斯热源模型中心的距离。

2.2 模型验证

为了验证模拟方法的正确性，本文建立了王文达[7]中钢管混凝土柱-钢梁节点有限元模型，模拟了其在柱顶竖向恒载及水平位移作用下力学行为。模拟得到的结果与王文达[7]中实验结果吻合较好，如图3所示。证明本文采取的模拟方法是正确有效的。

图3 节点水平荷载-位移骨架曲线（王文达[7]）

2.3 新型节点单调加载分析

2.3.1 梁柱边界条件及加载方式

按照上述方法建立梁柱模型，边界条件如图4所示：柱底约束三个方向自由度，柱顶约束一个方向自由度，梁两端均约束两个方向自由度。柱顶端建立参考点，施加一竖向恒定轴力F=440kN，同时柱顶施加一水平位移u=100mm。

图4 新型钢管混凝土梁柱节点边界条件示意图

2.3.2 结果分析

按照上述方法加载完成后提取节点柱顶荷载-位移曲线，结果如图5所示。由图5可看出，JD-S1～JD-S5柱顶荷载-位移曲线的弹性段基本重合，但随着延伸长度的增大，极限承载力逐渐增大；随着延伸长度的增大，曲线下降的幅度也有所不同，当延伸长度取280mm时，下降幅度明显，但总体变化幅度不大。分析其原因是由于节点域梁-梁焊接产生的残余应力对节点承载力的影响，焊缝越靠近节点域，节点承载力降低的越明显；而焊缝越远离节点域，节点的位移延性则越小。

图5 JD-S系列节点单调加载P-Δ曲线

参考王文达[7]和韩林海[5]对钢管混凝土节点中柱顶极限荷载（Pu=0.85Pmax）、柱顶极限位移（Pu对应位移）、柱顶屈服荷载（Py=0.7Pmax）和屈服位移（Py对应位移）的定义，将模拟得到的结果进行对比，如表3所示。结果表明：随着节点域延伸长度的增大，节点柱顶的极限荷载逐渐增加；随着节点域延伸长度的增大，节点的屈服位移Δy逐渐减小，说明其屈服状态提前，同时破坏位移Δu相应减小，反映了位移延性随节点域延伸长度增大而降低的趋势。

表3 JD-S系列节点P-Δ曲线

3 结论

基于以上分析和研究，可得到以下结论：

①提出的新型节点装配方式采用节点域梁-梁焊接，通过数值模拟可知，焊接残余应力会影响节点的极限承载力及位移延性，但影响幅度不大。

②随着节点域延伸长度的增大，节点的极限承载力提高，但位移延性呈现逐渐降低的趋势，虽变化幅度不大，但考虑到节点域延伸长度过长不便于运输，建议延伸长度a不大于3bf。