装配式钢混梁-柱螺栓连接节点力学性能研究

吴东平，周心茹

(武汉科技大学城市建设学院，湖北 武汉 430070)

梁柱节点是一个工程中整个结构受力的关键部位和核心，保证节点强度极为重要。目前大部分钢筋混凝土建筑采用节点部分现浇的方式，但混凝土构件在进行现场拼装时，存在现场支模耗时、耗力、不经济等各种问题。装配式混凝土节点对于建筑工业化进程发展具有重要意义，相比现浇钢筋混凝土梁柱节点来说，可以保证工程质量，加强节点承载力，降低人力成本，节能环保[1-3]。钢结构本身就是一种装配式结构，具有质量轻、强度高、韧性好、制造方便等特点，相对于混凝土结构来说有更多优点。目前我国正在大力提倡发展装配式钢结构体系建筑，所以装配式钢结构体系梁柱节点的研究也十分有意义[4-5]。

国内外已有许多科研人员对装配式连接节点进行了相关研究。常雪等[6]通过ABAQUS软件模拟了一种新型梁柱节点，这种节点与传统节点有所不同，并利用软件证明新型梁柱节点承载能力更高。曹永红等[7]利用有限元软件对于一种全预制梁柱节点进行数值模拟，此节点属于混凝土框架结构，发现轴压比不变，新型节点的承载力和延性更高。芦静夫等[8]利用ABAQUS有限元软件模拟一种装配式钢-混凝土组合结构梁柱节点，结果表明，新型梁柱节点相比于传统节点来说受力性能要更加优越。程东辉等[9]在试验基础上，通过ABAQUS有限元软件对改进后的17根装配式混凝土钢筋套筒灌浆连接柱在轴心压力下的力学性能进行分析，取得了较好的模拟结果。崔春义[10]用ABAQUS软件建立一种装配式梁柱节点模型，柱采用方钢管混凝土柱，梁采用钢梁，通过研究发现最直接影响节点滞回性能的因素是轴压比和钢管壁厚。张晨堂[11]运用ABAQUS有限元软件建立钢结构灌浆锚固节点，发现这种连接方式可以减小钢结构加工制作、安装运输过程中的误差，提高安装效率。

本文提出一种装配式钢混梁-柱螺栓连接节点，以同课题组成员已做的梁柱单调加载试验为基础，运用ABAQUS软件建立模型，并将模拟得到的特征点值与试验特征值作比较，从而验证模拟的合理性与可靠性，最后改变不同参数来分析各种因素对节点力学性能的影响。

1 试验模型

本文设计的装配式钢混梁-柱螺栓连接节点见图1。混凝土柱截面尺寸采用400 mm×400 mm，混凝土梁截面尺寸取200 mm×400 mm，混凝土强度为C30，在柱身预留孔洞，孔洞内设置钢管，在端板与混凝土中间设置一垫板，避免螺栓和混凝土表面接触造成混凝土破坏，采用10.9级摩擦型高强螺栓端板连接，端板与混凝土之间设置直径为6 mm的抗剪钉，梁内钢筋与套筒内侧面焊接，钢筋采用HRB400级，端板厚度为20 mm，螺栓直径为20 mm，套筒厚度20 mm，加劲肋厚度为14 mm[12-14]。

试验现场与加载装置见图2，其他材料力学性能实测值见表1。将混凝土柱柱底固定，在柱顶端施加竖直向下的轴压力，混凝土梁端采用位移控制的加载制度进行单向加载，以每次增加4 mm的位移记录所承受的承载力，以此来研究节点的力学性能。

表1 材料力学性能实测值 N/mm2

2 有限元模型建立

2.1 单元选取与材料模型

本次模拟的软件是ABAQUS，混凝土梁、柱以及螺栓，采用C3D8R单元模拟，用T3D2桁架单元模拟钢筋笼，模型中，混凝土本构模型经过综合考量，决定使用GB 50010—2010混凝土结构设计规范[15]中的混凝土单轴受拉受压应力应变关系曲线，钢筋采用弹塑性模型,钢板以及螺栓简化为两折线模型，本构关系见图3。

2.2 网格划分与加载制度

为了保证网格划分的准确性，经多次尝试，节点网格划分见图4。

用“绑定”关系来模拟端板与套筒、钢筋与套筒等之间的焊接状态，用“嵌入”关系来仿真混凝土与钢筋之间的相互接触状态，设置螺栓和端板、端板和柱以及钢管群和螺栓为面与面接触，并将它们两两之间切向方向设置为摩擦接触，另一个法向方向设置为硬接触。

边界条件设置情况见图4。将柱顶耦合于参考点RP1，柱底耦合于参考点RP2,梁侧面耦合于参考点RP3,将柱底完全固定，柱顶设置铰接，在梁端加载的位置施加侧向约束。

3 有限元模拟分析

3.1 应力分布云图分析

在有限元分析中，可以得到梁、柱、钢筋、端板以及螺栓的应力分布见图5。从图5中可以看出，在加载初期，节点未发生明显的现象，随着荷载增加，受压区混凝土开始产生裂痕，随后钢筋开始屈服，此时端板最上面一排的孔洞处也出现应力集中现象，当荷载继续增加时，上部受拉钢筋开始弯曲，梁上部靠近套筒处出现明显的塑性铰，最上排螺栓承受较大应力，当荷载增大到极限荷载136.52 kN时，上部受拉钢筋出现明显弯曲变形，端板屈服，受压区混凝土被压碎。

节点的破坏模式总结为梁上部受拉纵筋先受力达到屈服强度，混凝土梁与套筒接触附近区域的混凝土达到受压极限，混凝土被压碎，而端板连接的钢节点部分变形很小，塑性铰外移。

3.2 试验与有限元结果对比分析

有限元软件分析的荷载-位移曲线见图6。从图6可以看到，曲线从开始到结束一共经历了三个阶段，分别是几乎线性增长的弹性阶段，非线性上升的弹塑性阶段以及不断下降至平缓的破坏阶段。在第一阶段，荷载增加速度比其他阶段快，位移增量很小，随着位移的增大，荷载达到屈服荷载A点。位移继续增加，节点进入增速变缓的第二阶段，此阶段曲线不再是线性飞速增长状态，形势逐渐趋于平缓，当达到极限荷载B点时，曲线达到最高点，随后来到第三阶段，曲线形势一直下降直至趋于平缓，承载能力不断降低，达到破坏荷载C点后节点破坏。

梁柱节点有限元分析与试验曲线对比图见图7，特征点数据比较见表2。通过观察，发现模拟所得的荷载-位移曲线形状与试验结果相符，模拟得到的特征点值与试验特征值作比较，误差小于10%，足以证明该模型有效。模拟值与试验值存在误差的主要原因有：1)有限元模拟不能非常准确的仿真出来钢筋与混凝土二者之间的相互黏结状态；2)所使用的本构模型比较简单，较为理想，比如钢筋采用弹塑性模型就未考虑钢筋达到屈服点后的强化阶段；3)模型的混凝土塑性损伤与试验的混凝土损伤情况不完全相同，模型采用的混凝土损伤较为规律，试验会由于受力不均或试验条件等原因影响承载力。

表2 试验和模拟特征点值

节点有限元分析与试验破坏状态对比见图8，观察得到，有限元模拟和试验梁的破坏状态相同，破坏时混凝土梁与套筒接触附近区域的混凝土被压碎，节点核心部分变形很小，塑性铰外移，符合“强节点，弱构件”的设计准则。

总体来说，采用以上的有限元建立模型有一定的准确性与可参考性，能真实反映此节点的力学性能。

4 节点参数化分析

4.1 螺栓直径

装配式钢混梁-柱螺栓连接节点通过高强螺栓将混凝土梁与柱连接，但是螺栓直径的变化对节点的力学性能是否有影响还需要进一步研究，因此，在保持其他参数不变的情况下，改变螺栓直径，得到荷载-位移曲线对比见图9，从图9中看出，各个节点荷载-位移曲线走势大致相同，从表3中看出，当螺栓直径为18 mm时，初始刚度最小，极限承载力最低，力学性能同时也是最低的，开始增加螺栓直径后，增加2 mm～20 mm，节点的承载力和初始刚度各自提高了4.89%和7.1%，再增加2 mm～22 mm，极限承载力只提高了3.67%，初始刚度增加了4.6%，这表明在本文设计的梁柱节点中改变直径对极限承载能力影响不大，而对于抵抗转动能力有所提高，因此当取到合适的螺栓直径时，再改变螺栓直径意义不大，还会浪费材料，故在实际工程可以直接取螺栓直径为18 mm达到经济安全，节省材料的效果。

表3 荷载-位移曲线特征点值

4.2 端板厚度

除了螺栓外，端板厚度作为核心区的另一种材料，其改变也可能会影响节点受力性能，因此，保证其他因素不变，改变端板厚度，得到荷载-位移曲线见图10，三条曲线几乎重合，极限承载力变化不大，从表3中看出，端板厚度从最初的18 mm开始，缓慢增长2 mm达到20 mm厚，承载力和初始刚度分别提升了0.7%和4%，两条曲线几乎重合，端板再增加2 mm～22 mm，承载力和初始刚度提升可以说是微不足道，仅仅为0.2%，整体来看，端板厚度的增大对于节点的力学性能几乎没有改变，原因是端板还没有达到屈服强度的前提下，其他材料首先达到屈服，节点核心区强度很大，所以端板作为核心区材料之一，厚度增加对节点力学性能几乎没有变化。

4.3 轴压比

钢筋混凝土柱轴压比可以使柱有一定的延性，避免脆性破坏。因此，在其他参数不变的情况下，改变轴压比，得到荷载-位移曲线对比见图11，从图11中看出，三条曲线形状大体相同，轴压比越大，节点承载能力越低，从表3中看出，轴压比从0.25提升到0.4，极限承载力降低了11.93%，初始刚度降低了7.7%，而轴压比从0.4提升到0.6，极限承载力降低了12%，初始转动降低了12.3%，相对来说影响还是很大的，随着轴压比的增大，极限荷载明显降低，节点的力学性能大幅下降。这是因为在弹性阶段轴压比的增大对于结构的影响不大，在弹塑性阶段对于结构的影响更明显。

4.4 配筋率

钢筋作为在节点破坏模式下最先屈服且主要承受拉力的构件来说，配筋率的改变对于节点力学性能影响的研究不可忽视，因此，其他参数不变，在适筋的范围内改变配筋率，得到荷载-位移曲线对比见图12，从图12可以看出，三条曲线形状相同，配筋率增加的越多，极限承载力增大的越快，从表3中看出，当节点的配筋率从0.84%增加到1.06%时，其极限承载能力提高了17.48%，初始转动能力增加了24.4%，配筋率从1.06%增加到1.31%时，其极限承载能力增加了12.77%，初始转动能力增加了24.59%。由此可见，配筋率的改变能直接影响节点的承载力，也会相应提高节点抵抗转动的能力，在实际工程中，适当提高配筋率可以提升节点的承载能力，可以将配筋率稳定在1.06%左右，这样既可达到安全要求，也可避免浪费。

5 结论

1)本文提出一种新型装配式钢混梁-柱螺栓连接节点，利用ABAQUS软件建立模型，并将模拟得到的特征点值与试验特征值作比较，两者误差不大于10%，证明模拟结果合理，为研究节点力学性能影响因素提供了参考依据。

2)通过ABAQUS有限元分析节点在单调荷载作用下的破坏模式，发现破坏时受拉侧钢筋先屈服，混凝土被压碎，梁柱节点核心区的变形不大，塑性铰出现端板外套筒附近处，符合“强节点，弱构件”的原则，证明该节点设计有效，且安装方便，能运用于实际工程中。

3)通过改变四个参数，发现螺栓直径与端板厚度超过18 mm后，其改变对于节点的力学性能影响较小；单调加载下，轴压比的存在不利于结构变形，轴压比越高，极限承载力和初始转动能力越低，轴压比取0.4较为适宜；提高配筋率可以有效增强节点的极限承载力和初始转动能力，配筋率为1.06%性价比最高，其极限承载能力和初始转动能力分别增加了17.48%和24.4%，最直接影响节点力学性能的因素是轴压比和配筋率，因此，设计时应当引起重视。