型钢混凝土柱-型钢梁与钢管混凝土柱-型钢梁节点区力学性能对比

郭云龙 陈洪强 孙 斌

（1.中交一公局第三工程有限公司，北京 101102；2.哈尔滨地铁集团有限公司，黑龙江哈尔滨 150080）

型钢混凝土柱是在混凝土中配置型钢的组合构件；部分情况下，构件内配置适当钢筋。型钢混凝土柱以配置型钢为主，刚度较大；截面尺寸相同时，承载力显著高于钢筋混凝土构件；型钢会对混凝土具有约束作用，能够显著提高构件延性，改善构件抗震性能。构件中的型钢骨架可以直接承担施工荷载，在混凝土未完全达到强度前支撑上部结构的施工荷载，以缩短工期，节约施工成本。钢管混凝土柱是在空钢管内浇筑混凝土并共同受力的组合构件。钢管混凝土柱中，外包钢管对核心混凝土具有较强的约束作用，混凝土处于三向受力状态，有效提高了构件承载力、延性及耗能能力。同时，外包钢管在施工时可以作为永久施工模板，能够提前承担上部结构施工荷载，节省工期，降低施工成本。目前，相关学者对上述两类钢-混凝土组合柱的静力[1-2]、动力[3-4]、抗火[5-6]性能以及框架节点[7-8]性能进行了较为系统的研究，提出相关设计与计算方法。两类钢-混凝土组合柱在（超）高层建筑、大跨结构、桥梁结构中均得到广泛运用。但是，目前缺乏二者力学性能的对比分析，在设计施工时如何有效选择两类构件尚存疑惑。因此，本研究以哈尔滨轨道交通3号线车辆基地工程中典型的组合柱-型钢梁节点为例，采用通用有限元软件ABAQUS，利用实体单元建模，对比型钢混凝土柱-型钢梁节点与钢管混凝土柱-型钢梁节点的受力特点，分析两者的优劣势，为施工设计提供相应建议。

1 有限元模型建立

1.1 构件尺寸

型钢混凝土柱-型钢梁采用哈尔滨轨道交通3号线车辆基地工程中典型节点尺寸。

型钢柱截面尺寸如图1所示。

图1 型钢柱截面尺寸（单位：mm）

型钢梁截面尺寸如图2所示。

图2 型钢梁截面尺寸（单位：mm）

型钢梁截面为H型钢，钢梁高度1 250 mm，翼缘宽度500 mm，腹板厚度20 mm，翼缘厚度40 mm，具体长度根据相关资料计算，为2.75 m；型钢混凝土柱截面为1 800 mm×1 600 mm，内部型钢为十字形钢，高度为建筑单层高度，取5 m。

钢管柱截面如图3所示。

图3 钢管柱截面尺寸（单位：mm）

钢管混凝土柱截面尺寸与型钢混凝土柱尺寸相同，为1 800 mm×1 600 mm；为保证其用钢量与型钢混凝土柱一致，厚度为18 mm，长度为5 m。

1.2 材料本构

本研究模型中型钢与外包钢管均为Q355钢，屈服强度取345 MPa。钢材应力-应变关系模型采用理想弹塑性模型，钢材弹性模量取206 000 MPa，泊松比为0.3。

式中：σs——钢材应力（MPa）；Es——钢材弹性模量（MPa）；fy——钢材屈服强度（MPa）；εy——钢材屈服应变。

型钢混凝土柱与钢管混凝土柱中的混凝土强度等级均为C50，采用强度设计值。其中，抗压强度23.1 MPa，抗拉强度1.9 MPa，弹性模量34 500 MPa。混凝土模型均采用ABAQUS中内置的塑性损伤模型。型钢混凝土柱的混凝土本构采用《混凝土结构设计规范》[9]中提出的素混凝土本构。

式中：σc——混凝土应力（MPa）；εc——混凝土应变；Ec——混凝土弹性模量（MPa）；fcr——混凝土单轴抗压强度（MPa）；εcr——混凝土单轴抗压强度对应的峰值应变；dc——混凝土单轴受压损伤演化参数；ρc——混凝土配筋率；αc——混凝土的工作承担系数。

钢管混凝土柱的核心混凝土应力-应变关系采用韩林海等[10]提出的方法，考虑约束效应影响的约束混凝土本构；混凝土受拉采用线性应力-应变关系本构。

式中：fc'——混凝土抗拉强度（MPa）；εtr——混凝土受拉峰值应变；εtu——混凝土受拉极限应变；β0——应力水平指标；ε0——混凝土峰值应变；η——偏心距增大系数；ξ——约束效应系数。

1.3 模型单元选取及网格划分

有限元模型中，型钢梁、型钢混凝土柱结构及钢管混凝土柱中核心混凝土均采用8节点减缩积分格式的实体单元（C3D8R）；钢管混凝土柱外包钢管采用4节点线性减缩积分壳单元（S4R）。为协调计算效率与计算精度，网格划分时进行敏感度分析，保证较高的计算效率，网格密度对计算结果的影响小于0.1%。

型钢梁组合柱实体有限元模型如图4所示。

图4 型钢梁组合柱实体有限元模型

2 钢管混凝土柱与型钢混凝土柱节点区受力性能对比分析

2.1 型钢混凝土柱-型钢梁节点受力性能

型钢混凝土柱-型钢梁节点应力云图如图5所示。

图5 型钢混凝土柱-型钢梁节点应力云图

由图5可知，在哈尔滨轨道交通3号线车辆基地工程特定荷载作用下，梁端剪力对节点区柱构件受力影响较小，型钢混凝土柱中混凝土与内部型钢应力均较小，核心混凝土应力最大值为11.7 MPa，出现在型钢梁受压侧与型钢混凝土柱交界处。钢材最大应力出现在型钢梁与型钢混凝土柱交界面的受压侧，最大应力为166.7 MPa，与梁端受拉侧连线形成较为明显的剪力带。

2.2 钢管混凝土柱-型钢梁节点受力性能

钢管混凝土柱-型钢梁节点应力云图如图6所示。

图6 钢管混凝土柱-型钢梁节点应力云图

由图6可知，在哈尔滨轨道交通3号线车辆基地工程特定荷载作用下，梁端剪力对节点区钢管混凝土柱受力影响较小，柱中混凝土与外包钢管应力较小，核心混凝土应力最大为7.1 MPa，出现在型钢梁受压侧与钢管混凝土柱交界处。钢材最大应力出现在型钢梁与钢管混凝土柱交界面的受压侧，最大应力为150.8 MPa。

2.3 对比分析

在哈尔滨轨道交通3号线车辆基地工程特定荷载作用下，两节点区应力分布相似，混凝土及全模型最大应力均出现在型钢梁与组合柱交界面的受压侧。在相同用钢量下，钢管混凝土柱-型钢梁节点区混凝土最大应力比型钢混凝土柱-型钢梁节点降低39.3%，钢材最大应力降低9.5%，表面在相同用钢量下，钢管混凝土柱-型钢梁节点受力性能显著优于型钢混凝土柱-型钢梁节点。

3 结语

型钢混凝土柱-型钢梁节点中，最大应力出现在型钢梁与型钢混凝土柱交界面的受压侧，最大应力为166.7 MPa；混凝土与柱内部型钢应力较小，核心混凝土应力最大值为11.7 MPa。钢管混凝土柱-型钢梁节点中，最大应力出现在型钢梁与钢管混凝土柱交界面的受压侧，最大应力为150.8 MPa；混凝土与外包钢管应力均较小，核心混凝土应力最大值为7.1 MPa。两节点区应力分布相似，混凝土及钢材最大应力均出现在型钢梁与组合柱交界面的受压侧。在相同用钢量下，钢管混凝土柱-型钢梁节点受力性能优于型钢混凝土柱-型钢梁节点，钢管混凝土柱-型钢梁节点区混凝土最大应力比型钢混凝土柱-型钢梁节点降低39.3%，钢材最大应力降低9.5%。