套筒式钢管混凝土梁柱节点试验研究

张莉若1  汤中发2  王明贵1

(1.中国建筑科学研究院北京100013;2.北京科技大学 北京100083)

摘  要：本文提出了一种新型套筒式钢管混凝土柱－H型钢梁的连接节点形式，并通过对两个传统加强环式梁柱节点和两个新型套筒式梁柱节点在循环荷载作用下的抗震性能进行了理论计算和试验比较，分析和研究了套筒式节点的承载能力及滞回性能。结果表明套筒式节点抗震延性好，能满足设计要求，可用于多层或小高层住宅建筑中，并給出了这种节点设计构造建议。

关键词：套筒式钢管混凝土梁柱节点；试验研究；承载力；变形性能

Experimental Research on Concrete Filled Steel Tubular Column to Steel Beam Connections Using Sleeve

Zhang Liruo1   Tang Zhongfa2   Wang Minggui1

（1.China Academy of Building Research , Beijing 100013;2.Uiniversityof science and technology of Beijing , Beijing  100083）

[Abstract]  A new type of joint for concrete filled steel tubular column to H steel beam connections using sleeve is presented in this paper. Then we have carried out theoretic calculation and experimental research on the traditional reinforced ring connections and the new sleeve connection to analyze and study their load-bearing performance and deformation capability. The results show that the joint with sleeve has good anti-seismic ductility and meets the design requirements. This joint may be used in multi-story or sub-high-rise residential buildings with steel structure, and a detailed joint design is suggested for the new type.

[Key words] concrete filled steel tubular column to steel beam connections using sleeve; experimental research; load-bearing performance; deformation capability

钢结构中，当采用钢管混凝土柱与H型钢梁结构时，其梁柱节点常用环板式，如图1所示[1]。但这种节点在住宅建筑中有时满足不了建筑的需要，它不仅在室内露下环板，而且外墙（尤其是墙板）也不便安装。文献[2]将边柱和角柱的环板直接切除，这种做法未见到科学依据。对此，我们提出套筒式的节点，如图2所

示。由于钢管混凝土柱的管壁较薄，不宜直接焊接H型钢梁，可选用一节钢套筒来加强和保护柱在节点区不被先拉坏，并通过套筒来承载和传力。钢套筒与钢管柱要有可靠连接，除在套筒上下边采用角焊缝外，还要在中间加一些塞焊点，然后将H型钢梁与套筒进行常规的栓焊混合连接。为了加强梁根部的受力能力，还应在梁上下翼缘加盖板,或部分削弱梁翼缘形成“狗骨”式以减少梁根部的应力集中。我们经计算分析和试验对比，研究套筒式和环板式这两种节点的承载力和变形性能，并给出套筒式节点的设计构造建议。

1、计算分析

为了从理论上分析套筒式节点的可行性，我们用ANSYS程序计算了套筒式节点的受力情况，有限元计算网格划分见图3所示。混凝土采用单元库中的实体8节点混凝土单元SOLID65，钢管、套筒、钢梁采用实体8节点单元SOLID45，这两种单元在每个节点均有三个自由度：沿x，y，z，方向的平移，满足了在有限元分析中节点自由度的协调要求。由于套筒在受梁翼缘的拉力作用后，套筒与钢管壁会发生脱离，在套筒与钢管壁之间的接触面上设置一个接触对，来模拟两者之间的相互作用。套筒与钢管壁之间的目标单元和接触单元分别采用支持三维面-面接触分析的TARGE170和CONTA174。采用手工单元网格划分的方法使单元的划分保持协调，即各组件在相邻边界处节点重合具有相同的坐标值，但具有不同的节点编号。

钢管柱采用Φ326mm×8mm，钢梁采用H300×150×6.5×9mm。以梁柱节点为中心，钢管柱上下各取层高的一半(Lc=1.5m)，钢梁左右各取半跨梁长(Lb=1.5m)，组成一个平面十字形模型，钢材采用Q345B。钢管内浇注C40混凝土。材料力学性能取与表1试验值相同。

在柱轴向压力1000kN及梁端反对称荷载为0.8Py（注：计算模型的Py=141kN）的作用下，梁自由端的挠度为13mm， 节点区域的最大变形出现在套筒与梁受拉翼缘的焊接处，鼓出变形值为0.8mm。从节点区域的Mises应力分布来看：各组件均处于弹性工作状态，套筒的高应力区主要集中在梁受拉翼缘焊接处，套筒在梁受压翼缘处的应力相对受拉翼缘处小。

保持柱轴向力不变，在梁自由端施加屈服荷载Py时，梁自由端的挠度为18.14mm，套筒的最大鼓出变形值为1.11mm。节点区域的Mises的应力分布规律与上述情况一致，套筒在梁受拉翼缘作用下的高应力区域向四周扩散，此时钢梁的受拉翼缘和受压翼缘的平均应力均已达到屈服应力。套筒在梁受拉翼缘处的拉应力区大部分已达到或接近屈服应力，套筒在受压翼缘处压应力区的应力小于受拉区的应力。在梁受拉翼缘的位置沿套筒一周定义路径P1，该路径上套筒的环向应力σθ的分布图如4所示，在套筒与钢管柱之间的角焊缝处沿钢管一周定义路径P2，在塞焊缝的位置沿钢管一周定义路径P3，这两路径上钢管的环向应力σθ的分布图分别见图5和图6所示。可见，钢管仍处于弹性工作状态，具有较大的强度储备。

当梁端荷载继续增加时，梁根部受拉翼缘两侧角点处的焊缝首先达到塑性状态而被认为破坏，其次是塞焊缝处达到塑性状态，其他位置均处于弹性状态。通过有限元的计算分析可知节点处应力的传递路径：梁端弯矩和剪力通过焊缝和连接腹板传递给套筒，再通过套筒与钢管之间的角焊缝和塞焊缝传递给钢管混凝土柱。计算表明套筒式节点能满足设计承载力要求。

2、试验对比分析

为了比较套筒式节点和环板式节点的受力性能，我们做了两个套筒式节点试件和两个环板式节点试件，试件尺寸和材料都相同，并与计算模型一致，试验加载装置设计如图7所示,试验试件见图8、图9所示。

2.1材料力学性能试验

制作试件的材料和实际工程中的材料一样。钢管内浇注C40混凝土，混凝土自钢管上口灌入，采用内部振捣器捣实，试验取同等养护条件的150mm×150mm×150mm的混凝土立方体试块测定其抗压强度f_cu,k，并换算成混凝土轴心抗压强度标准值f_ck。钢管、钢梁等所用钢材一律采用Q345B，用E50型焊条进行手工焊接，试验前分别在钢管和型钢梁的腹板上取300mm×30mm(长×宽)的板条进行拉伸试验。试件的材料力学性能见表1。

               钢材与混凝土的力学性能(单位：MPa)                   表1                

2.2试验方案

钢梁的材料采用Q345B，钢材的屈服点和抗拉强度采用试验值。则钢梁的梁端翼缘达到屈服时，对应在梁自由端施加的集中力为P_y。

P_y＝f_yW_n/（L_b-D/2）＝385×490/（1500－163）＝141kN              (1)

在考虑了柱的长细比影响和偏心矩影响后钢管混凝土柱的承载力：

N_u＝φ_lφ_eN₀＝0.91×0.204×5880＝1091kN                       (2)

综合考虑试验设备条件，确定在柱顶施加1000kN的竖向轴心压力。

节点低周反复荷载试验采用力-位移加载制度。试验加载步骤为：(1)在柱顶施加1000kN的竖向轴心压力，并在整个试验过程中保持恒定；(2)采用分级加载制度，根据梁端屈服荷载确定在梁自由端施加反复荷载的大小，每级荷载循环往复一次。在钢梁梁端达到屈服以前用荷载控制，各级荷载分别为梁端屈服荷载P_y的20%，40%，60%，80%，90%。(3)达到屈服荷载以后用位移控制，位移级差为屈服荷载所对应的梁端加载点的位移Δy，直至试件破坏，停止试验。为了考察环板式节点和套筒式节点在加载过程中的应力应变变化，在钢管柱表面、加强环、套筒及钢梁的翼缘上布置了若干应变片。所有应变片、百分表以及梁端的反对称荷载的数据均通过YE2539静态应变仪自动采集系统自动采集，柱顶荷载数值直接由液压机读出。

2．3 承载力比较

保持柱顶荷载不变，在梁端施加循环往复荷载，当在梁自由端施加的荷载很小时，结构基本处于弹性工作状态，卸载时构件基本能恢复到初始状态。当荷载逐渐增大直至梁端屈服时，卸载时梁自由端不能回复到初始位置。同一种的两个试件试验结果基本一致：

1）环板式试件当荷载达到0.8P_y时，梁自由端的挠度达到14mm，卸载时残余挠度为1.9mm，环板和梁的翼缘均没有明显的变形。当荷载达到屈服荷载P_y时，梁翼缘和环板间的焊缝应变达到屈服，且有向外鼓出的现象，并逐渐增大。此时节点仍然具有很强的承载力，从应变采集仪上读出梁自由端的挠度Δy为19mm。此后加载以位移控制，当位移以2Δy循环时，梁翼缘处的应变继续增加，节点仍具有一定的承载能力。当位移为3Δy时，承载力降低很明显，梁翼缘的平均应变达到13000με，节点处的塑性转动较大，梁自由端竖向残余变形为44mm，梁翼缘和环板在其对接焊缝处的鼓出变形增大，钢梁腹板和连接板产生凹凸不平的翘曲，对接焊缝处有开裂，呈现较为明显的弯曲破坏形式。

2) 套筒式试件当荷载达到0.8P_y时，梁自由端的挠度达到15mm，卸载时残余挠度为1.9mm，套筒和梁的翼缘均没有明显的变形。当荷载达到屈服荷载时，梁翼缘的平均应变均达到屈服，套筒与梁翼缘连接处由于应力集中导致环向拉应变达到屈服，套筒在与梁受拉翼缘处略向外鼓出，钢梁没有明显的变形，此时从应变采集仪上读出梁自由端的挠度Δy为18mm。此后加载以位移控制，当位移以2Δy循环时，套筒在梁受拉翼缘处的鼓出很明显，节点的转动增大。当位移为3Δy时，梁翼缘处的平均应变达到12000με，节点处的塑性转动较大，梁的自由端竖向残余变形为36mm，套筒壁被受拉梁翼缘从尖角处拉裂。由于盖板对梁翼缘的加强，梁的受压翼缘并未出现局部失稳的现象。

2．4节点的延性

两种试件的荷载－位移(P~Δ)滞回曲线见图10与图11，从图中可以看出，本次试验的4个试件的滞回曲线相当稳定，基本上没有刚度退化的现象，曲线的形状均饱满呈现出标准的梭形，未出现捏缩现象，反映出加强环式节点和套筒式节点均具有很好的抗震性能，节点的延性系数均在3~4之间。

4个节点试件在达到屈服荷载时，节点的初始刚度均相似于典型的梁端单调加载的情况，卸载后构件基本上能恢复到初始的位置。试件屈服后，在对梁端施加2次循环荷载后，4个试件在达到3Δy时开始破坏，在梁端施加的最大荷载及节点的极限转角θmax见表2所示。可以看出加强环式节点的角变形比套筒式节点略大，可以将套筒式节点视为刚性节点。

表2 两种节点的试验结果                     

2．5 钢梁的全塑性受弯承载力和极限受弯承载力的比较

试件的极限受弯承载力与梁的全塑性受弯承载力见表3所示。可见套筒式节点能满足文献[5]中公式8.2.8-1中所要求的M_u≥1.2M_p的规定。

表3 极限受弯承载力M_u与梁的全塑性受弯承载力M_p

3 设计建议与结论

为了保证节点的强度，套筒的壁厚t建议取Max(1.2t_c，1.2t_f)，其中t_c、t_f分别为钢管壁厚和梁翼缘厚；套筒的高度h建议取h_b+10t，其中h_b为梁截面高度。套筒两端加工成内倒角与柱壁形成V型坡口焊接，梁翼缘附近的塞焊孔也是必要的。

通过节点试验可以得出如下结论：

(1) 环板式节点试件的实际抗弯承载能力是梁最大弯矩设计值的1.56~1.67倍，套筒式节点试件是1.48~1.52倍；而且节点的极限受弯承载力与梁全塑性受弯承载力均能满足条件 M_u≥1.2M_p ，所以，在施工质量有保证的前提下，套筒式节点是能够满足设计要求的；

(2) 套筒式节点的转角位移较小，节点的抗弯模量较大，节点为刚性；

(3) 在相同的几何尺寸和轴压比下，套筒式节点有很好的延性，抗震性能与环板式节点相当；

（4）套筒式节点易于满住宅建筑的某些要求，且结构布置灵活，可在多层或小高层钢结构住宅建筑中应用。对高层或超高层建筑的应用还有待研究。

参考文献

1．《钢管混凝土结构设计与施工规程》（CECS28：90）。

2． 高光虎，高层及多层钢结构住宅设计。建筑钢结构进展，2001，（3）。

3． 苏恒强、蔡健、姚大鑫等，钢管混凝土加强环式节点的试验研究。华南理工大学学学报(自然科学版)，2004，(1)。

4． 张莉若、王明贵，钢-混凝土组合结构梁柱节点承载力试验研究。建筑科学，2003，(5) 。

5．《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）。