预制钢管混凝土叠合柱与PEC梁螺栓连接节点受力性能分析

摘要： 为了揭示预制钢管混凝土叠合柱与预制部分包裹混凝土（PEC）梁螺栓连接节点的受力性能和破坏模式，通过ABAQUS有限元软件建立了该组合节点的有限元分析模型，考虑了材料本构关系和复杂接触问题。通过水平低周往复荷载试验验证了数值分析模型的准确性，对其破坏模式和骨架曲线进行了研究。考虑了几何参数、材料参数、荷载参数对节点力学性能的影响，揭示了多种参数对于节点性能的影响规律。结果表明，预制钢管混凝土叠合柱与预制部分包裹混凝土组合梁全螺栓节点具有良好的受力性能，柱钢材强度、柱混凝土强度、轴压比、螺栓直径及柱截面含钢率对节点的抗弯承载力影响较大；柱混凝土强度、轴压比及柱截面含钢率对节点的初始刚度影响较大。研究结果将为此类节点的分析与设计提供科学依据。

关键词： 钢管混凝土叠合柱；部分包裹混凝土梁；螺栓连接；有限元分析；受力性能

Abstract： In order to study the mechanical behavior and the failure mode of prefabricated concrete-filled steel tube （CFST）composite column bolted to partially encased composite （PEC）beam joints，a finite element （FE）model of a CFST composite column bolted to PEC beam joint is established accounting for the material model and complex contact interactions in ABAQUS. The accuracy of analytical model is validated by using tests data under cyclic loading. The failure modes and skeleton curves of this joint are studied. Substantial parametric analysis is carried out to study the influence of geometric parameters，material parameters and loading parameters on this joint. The influence laws of various parameters on the joint performance are revealed. The research results indicate that this type of joint has a set of good mechanical properties. The steel strength，concrete strength，axial compression ratio，bolt diameter and steel ratio of column have a significant influence on the bearing capacity of the joint.Also，concrete strength，axial compression ratio and steel ratio of column have a large influence on the initial stiffness of the joint. The results can provide a reference for the analysis and design of this joint.

Keywords： concrete-filled steel tube （CFST）composite column；partially encased composite （PEC）beam；bolted connection；finite element （FE）analysis；mechanical behavior

钢管混凝土叠合柱是一种在钢管外绑扎钢筋并在管内外浇筑混凝土形成的一种新型组合构件；部分包裹混凝土组合（partially encased composite，PEC）梁是一种在H形钢翼缘和腹板间绑扎钢筋并填充混凝土形成的组合梁。二者均具有承载力高、延性好、抗火性能和耐腐蚀性能好等优点，可应用于超高层建筑、大跨空间结构和工程加固等领域。

迄今为止，国内外对于钢管混凝土叠合柱和部分包裹混凝土组合构件的研究大多集中在构件层面，文献[1]对叠合柱进行了受弯性能试验研究，结果表明叠合柱具有良好的延性和抗震性能；文献[2]对叠合柱的偏心受压性能进行了研究，结果表明叠合柱的承载力远大于同尺寸的钢筋混凝土柱的承载力，并推导了偏心受压柱的正截面承载力公式；文献[3]对PEC中长柱进行了轴压试验研究，推导了PEC中长柱的轴压承载力公式；文献[4]进行了单向往复荷载作用下PEC梁受力性能试验研究，提出了全截面塑性状态下PEC梁的受弯承载力计算方法。仅有少数学者研究了叠合柱节点和部分包裹混凝土组合构件连接节点，文献[5]对钢管混凝土叠合柱-混凝土梁节点的滞回性能进行了研究，结果表明此类组合节点的极限承载力和延性均优于混凝土节点的极限承载力和延性；文献[6]对PEC装配式节点进行了静力试验研究，并给出了此类节点的受剪承载力公式。由于PEC梁的承载力、刚度、延性均优于纯钢结构和钢筋混凝土结构的承载力、刚度、延性 ^[7] ，且与型钢混凝土相比其具有更高的预制装配化程度；而钢管混凝土叠合柱的承载力、抗震性能和延性均优于普通混凝土柱的承载力、抗震性能和延性。在建筑工业化的发展趋势下，钢管混凝土叠合柱与部分包裹混凝土梁组合形成的装配式节点将具有广阔的应用前景。目前，国内外尚缺乏对于此类装配式节点的研究，从而限制了其推广和应用。

为此，本文设计了一种预制钢管混凝土叠合柱与PEC梁全螺栓连接节点。为了研究该节点的受力性能与破坏模式，本文对此类节点进行了柱端低周往复加载试验研究，通过ABAQUS建立了该节点的有限元模型，并验证了模型的准确性。考察了几何参数、材料参数和荷载参数对节点受力性能的影响。研究结果将为此类新型装配式节点的设计和应用提供依据。

1　试验概况

1.1　试件设计

按照不同梁种类设计了2个节点试件，试件选自框架结构中的中层中柱节点，PEC梁为试验组，H形钢梁为对照组，缩尺比为1∶2。节点连接构造如图1所示，短H形钢接头一端焊接于方钢管处，另一端的翼缘板和腹板上设有螺栓孔；PEC梁H形钢一端与铰支座相连，另一端的翼缘板和腹板上设有螺栓孔。将PEC梁H形钢与短H形钢接头对接，并将翼缘连接板的螺栓孔与H形钢翼缘的螺栓孔相对，通过高强度螺栓完成翼缘的连接。接着，将腹板连接板的螺栓孔与H形钢腹板螺栓孔相对，通过高强度螺栓完成腹板的连接。最后在连接处和节点核心区浇筑混凝土，完成该装配式节点的拼装。

图1　试件尺寸（单位：mm）

Fig.1　Dimension of specimens（Unit：mm）

节点试件柱高为1,670mm，梁长为2,650mm，柱内钢管采用Q355钢材，柱内外采用C40混凝土，外混凝土配置了4Φ14、2Φ10的纵筋和Φ8@100的箍筋，节点区附近箍筋局部加密，箍筋间距为50mm。试件SJ1采用PEC梁和C30混凝土，梁内设4Φ8的纵筋；试件SJ2采用H形钢梁，H形钢尺寸为250mm×150mm×4mm×6mm。SJ1和SJ2的钢梁腹板、翼缘与柱端短钢接头采用10.9级M22高强螺栓连接。试件信息如表1所示，构件尺寸如图1所示。

1.2　材性试验

钢材材性通过单向拉伸试验获得，具体结果如表2所示。柱混凝土和梁混凝土的材性通过相同养护条件下制作的标准试件得到，C40混凝土的立方体抗压强度为47.67MPa，弹性模量为37,019.27MPa；C30混凝土的立方体抗压强度为36.917MPa，弹性模量为33,945.67MPa。试验采用的高强螺栓的材性由生产厂家提供，10.9级M22高强螺栓的抗拉强度为1,050MPa，屈服强度为945MPa，弹性模量为2.1×10 ⁵ MPa，伸长率为12%。

1.3　试验加载制度及装置

采用液压千斤顶对柱顶施加恒定轴力，轴压比为0.3，并通过MTS液压伺服加载装置对柱端水平方向施加低周反复位移，加载装置如图2所示。正式加载位移参考美国规范ATC-24（1992） ^[8] ，取为试件屈服位移Δ _y ，并按照0.25Δ _y 、0.5Δ _y 、0.7Δ _y 、1.0Δ _y 、1.5Δ _y 、2.0Δ _y 、3.0Δ _y 、5.0Δ _y 、7.0Δ _y 、8.0Δ _y ……控制位移，加载制度如图3所示。试验过程中出现荷载下降到峰值的85%以下或试件发生严重变形或破坏时停止加载。

图2　加载装置

Fig.2　Loading setup

图3　加载制度

Fig.3　Loading system

1.4　荷载-位移关系骨架曲线

根据试件的滞回曲线可以得到相应的水平荷载-水平位移骨架曲线（图4），参考《建筑抗震试验规程》（JGJ 101—2015） ^[9] 对骨架曲线特征点的计算方法，得到表3中的试件骨架曲线特征值。

图4　荷载（P）-位移（Δ）骨架曲线

Fig.4　Load（P）-displacement（Δ）skeleton curves

上述两个节点的骨架曲线均呈“S”形，下降段较为平缓，比较特征值可知PEC梁全螺栓连接节点的初始刚度和极限承载力均高于H形钢梁全螺栓连接节点的初始刚度和极限承载力。在正向荷载作用下，PEC梁节点的初始刚度和极限承载力分别比H形钢梁节点的初始刚度和极限承载力高17.5%和35.8%；在负向荷载作用下，PEC梁节点的初始刚度和极限承载力分别比H形钢梁节点的初始刚度和极限承载力高6.6%和26.2%。

2　数值分析模型

2.1　钢材本构关系模型

对于柱内钢管、H形钢梁、连接钢板等软钢材，采用文献[10]建议的二次塑流模型；对于螺栓、钢筋等高强钢材，则采用双折线模型，如图5所示。

图5　钢材的应力（σ）-应变（ε）关系曲线

Fig.5　Stress（σ）-strain（ε）curves of steel

2.2　混凝土本构关系模型

对于柱钢管内混凝土，采用文献[11]提出的钢管受压核心区混凝土应力-应变关系模型：

对于叠合柱外和H形钢翼缘内箍筋约束的混凝土，考虑箍筋的约束效应，采用Kent-Scoot-Park模型 ^[12] 。

为了考虑混凝土在受力过程中的内部积累损伤，本文引入《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010） ^[13] 中的混凝土损伤塑性模型，对混凝土的本构关系进行了修正，能够较好地拟合混凝土在循环荷载作用下材料的本构关系。

弹性阶段应力-应变关系采用一阶线性模型，斜率为弹性模量 E ₀ ；非弹性阶段应力-应变关系曲线的表达式如下：

2.3　单元选取和网格划分

计算模型中，柱内钢管、钢管内外混凝土、H形钢梁、钢梁翼缘间部分包裹混凝土、连接钢板和高强螺栓均采用8节点缩减积分三维实体单元C3D8R模拟；梁柱纵筋和箍筋均采用2节点三维线性桁架单元T3D2模拟。对于节点核心区等存在密集接触的区域，为了同时保证计算精度和结果收敛程度，其网格密度尺寸应适当降低。网格划分如图6所示。

图6　节点网格划分

Fig.6　Mesh generation of joints

2.4　相互作用

根据文献[10]的相关研究，采用“表面对表面接触”来模拟柱内钢管与核心混凝土之间存在的法向和切向接触。为了使接触面压力完全传递，法向接触设置为“硬接触”，考虑钢管和混凝土间的有限滑移，使用罚函数定义切向接触，根据文献[14]设置二者界面的摩擦系数为0.45。根据《钢结构设计标准》（GB 50017—2017） ^[15] 确定钢材与钢材之间的摩擦系数为0.35。模型不考虑焊缝撕裂，将方钢管与短H形钢梁采用“Tie”绑定模拟焊接，由于带肋钢筋在混凝土内滑移量不大，采用“embedded region”命令将钢筋笼内置于混凝土中。

2.5　分析步和边界条件

分析模型中设置有3个分析步：一是对钢梁翼缘及腹板的高强螺栓施加预紧力；二是对叠合柱顶施加轴向力；三是对叠合柱顶施加水平位移。根据实际节点的边界条件，计算模型的边界条件如表4所示。

3　试验与数值结果比较

PEC梁全螺栓连接节点试件的破坏模式与模拟结果的对比如图7所示，分析表明节点的破坏模式主要包括：近柱端梁混凝土的拉压破坏、节点核心区混凝土剪切破坏和叠合柱内方钢管的剪切破坏。

试验与模拟得到的柱端水平荷载（P）-水平位移（Δ）滞回曲线对比如图8所示，由于有限元模型未考柱钢管焊缝撕裂的影响，导致试验曲线不如模拟曲线饱满。总体上，试验曲线与模拟曲线吻合良好。

图7　试验和模拟的破坏模式对比

Fig.7　Comparison of failure modes between test and simulation

图8　试验与模拟的荷载（P）-位移（ Δ ）滞回曲线对比

Fig.8　Comparison of load（P）-displacement（ Δ ）hysteretic curves between test and simulation

4　参数分析

为研究预制钢管混凝土叠合柱与PEC梁全螺栓连接节点的力学性能，分别研究了柱内钢管钢材强度f _y,c 、柱截面含钢率α、PEC梁钢材强度f _y,b 、螺栓直径d _b 、轴压比n等诸多参数对此类节点极限承载力和初始刚度的影响，提取了不同参数下节点的柱端水平荷载（P）-水平位移（Δ）曲线。标准节点计算模型及参数信息如图9和表5所示。  

图9　全螺栓节点标准计算模型（单位：mm）

Fig.9　Standard calculation model of bolted joints（Unit：mm）

4.1　柱内钢管钢材强度

图10a）给出了叠合柱方钢管强度为235MPa、355MPa和420MPa对应的单调荷载作用下螺栓连接节点的柱端水平荷载（P）-水平位移（Δ）曲线。与钢材强度为235MPa的节点相比，钢材强度为355MPa和420MPa的节点极限承载力分别提高了12.92%和20.30%，提高钢管强度可以显著提高节点的极限承载力。

4.2　柱混凝土强度

图10b）给出了柱混凝土强度为40MPa、50MPa和60MPa对应的单调荷载作用下螺栓连接节点的柱端水平荷载（P）-水平位移（Δ）曲线。与柱混凝土强度为40MPa的节点相比，柱混凝土强度为50MPa和60MPa的节点极限承载力分别提高了3.69%和9.59%，初始刚度分别提高了7.99%和10.64%。柱混凝土强度的变化对节点的极限承载力和初始刚度影响较大。

图10　预制钢管混凝土叠合柱与PEC梁螺栓连接节点静力参数分析

Fig.10　Static parameter analysis of prefabricated CFST composite column bolted to PEC beam joints

4.3　柱截面含钢率

图10c）给出了柱截面含钢率为0.01、0.03和0.05对应的单调荷载作用下螺栓连接节点的柱端水平荷载（P）-水平位移（Δ）曲线。与柱截面含钢率为0.01的节点相比，柱截面含钢率为0.03和0.05的节点的极限承载力分别提高了20.44%和42.22%，初始刚度分别提高了10.09%和19.98%。当柱截面含钢率较小时，管壁较薄，在荷载作用下极易发生变形；当含钢率较大时，管壁较厚，节点的破坏模式主要为螺栓连接处的破坏和柱端梁屈曲。柱截面含钢率对节点的极限承载力和初始刚度均有较大影响。

4.4　梁钢材强度

图10d）给出了组合梁钢材强度为235MPa、355MPa和420MPa对应的单调荷载作用下全螺栓节点的柱端水平荷载（P）-水平位移（Δ）曲线。与梁钢材强度为235MPa的节点相比，梁钢材强度为355MPa和420MPa的节点的极限承载力分别提高了6.64%和8.12%。计算结果表明，梁钢材强度的增大使节点后期承载力有所提升，但是提升幅度不大，这是由于随着钢材强度的提高，节点的破坏模式逐渐由梁端屈服转变为柱壁破坏。

4.5　梁混凝土强度

图10e）给出了研究参数范围内不同梁混凝土强度下节点的柱端水平荷载（P）-水平位移（Δ）曲线。可以看出，梁混凝土强度变化对节点的极限承载力和初始刚度影响较小。

4.6　连接板强度

图10f）给出了研究参数范围内不同连接板强度下节点的柱端水平荷载（P）-水平位移（Δ）曲线。可以看出，节点连接板的强度变化对节点的极限承载力影响不大。

4.7　连接板厚度

图10g）给出了研究参数范围内不同连接板厚度下节点的柱端水平荷载（P）-水平位移（Δ）曲线。可以看出，节点连接板厚度变化对节点的极限承载力和初始刚度影响较小。

4.8　螺栓直径

图10h）给出了研究参数范围内不同螺栓直径下节点的柱端水平荷载（P）-水平位移（Δ）曲线。螺栓直径的变化对节点的极限承载能力和初始刚度影响较小，当螺栓直径为16mm时，螺栓被剪断使得节点的极限承载力大幅下降。因此，在进行此类节点设计时应当避免螺栓直径过小而发生剪切破坏。

4.9　轴压比

图10i）给出了轴压比为0.1、0.3和0.5对应的单调荷载作用下螺栓连接节点的柱端水平荷载（P）-水平位移（Δ）曲线。与轴压比为0.5的节点相比，轴压比为0.1和0.3的节点的极限承载力分别提高了50.93%和25.46%，初始刚度分别提高了11.11%和7.97%。随着轴压比的增加，叠合柱的P-Δ效应越来越明显，当柱顶水平位移增大时，高轴压比的构件更容易被压溃，这是此类节点的极限承载力随着轴压比的增大而减小的主要原因，且轴压比的变化对节点的初始刚度也有较大的影响。

5　结  论

（1）预制钢管混凝土叠合柱与PEC梁螺栓连接节点在柱端水平荷载作用下的破坏模式包括节点近柱端梁混凝土的拉压破坏、节点核心区混凝土剪切破坏以及叠合柱内方钢管的剪切破坏。

（2）本文建立了预制钢管混凝土叠合柱与PEC梁螺栓连接节点有限元模型，考虑了材料非线性、各组件之间复杂接触等问题，通过试验验证了有限元模型的准确性。

（3）本文基于有限元模型，对诸多参数进行分析。结果表明，随着柱钢材强度、柱混凝土强度、柱截面含钢率及轴压比的增大，节点的承载力得到提升；随着柱混凝土强度、柱截面含钢率及轴压比的增大，节点的初始刚度增大。

（4）试验和数值分析结果表明，预制钢管混凝土叠合柱与PEC梁螺栓连接节点具有良好的受力性能。本文研究结果将为此类节点的分析与设计提供参考依据。

参考文献:

[1]HAN L H,LIAO F Y,TAO Z,et al.Performance of concrete filled steel tube reinforced concrete columns subjected to cyclic bending[J].Journal of Constructional Steel Research,2009,65(8/9):1607-1616.DOI:10.1016/j.jcsr. 2009.03.013.

[2]郭全全,赵羽西,李芊,等.钢管混凝土叠合柱偏心受压性能试验研究[J].建筑结构学报,2013,34(12):103-111.DOI:10.14006/j.jzjgxb.2013.12.014.GUO Quanquan,ZHAO Yuxi,LI Qian,et al.Experimental study on eccentric compressive property of steel tube-reinforced concrete columns[J].Journal of Building Structures,2013,34(12):103-111.DOI:10.14006/j.jzjgxb.2013.12.014.(in Chinese)

[3]赵根田,郭雅茹,吴光兴,等.H形钢部分包裹混凝土组合中长柱轴心受压承载力试验研究[J].建筑钢结构进展,2019,21(4):19-27.DOI:10.13969/j.cnki.cn31-1893.2019.04.003.ZHAO Gentian,GUO Yaru,WU Guangxing,et al.Experimental study on axial compression capacity of H-shaped steel partially encased concrete composite middle long columns[J].Progress in Steel Building Structures,2019,21(4):19-27.DOI:10.13969/j.cnki.cn31-1893.2019.04.003.(in Chinese)

[4]伍凯,林诗琪,毛范燊,等.单向往复荷载作用下装配式部分包裹混凝土组合梁受力性能试验研究[J].建筑结构学报,2019,40(8):31-41.DOI:10.14006/j.jzjgxb.2018.0201.WU Kai,LIN Shiqi,MAO Fanshen,et al.Experimental study on mechanical behavior of fabricated partially encased composite beams under unidirectional cyclic load[J].Journal of Building Structures,2019,40(8):31-41.DOI:10.14006/j.jzjgxb.2018.0201.(in Chinese)

[5]廖飞宇,赵剑,尧国皇,等.钢管混凝土叠合柱-混凝土梁节点滞回性能的有限元分析[J].建筑钢结构进展,2019,21(5):1-12,19.DOI:10.13969/j.cnki.cn31-1893.2019.05.001.LIAO Feiyu,ZHAO Jian,YAO Guohuang,et al.Hysteretic performance finite element analysis of concrete encased CFST column to concrete beam joints under cyclic loading[J].Progress in Steel Building Structures,2019,21(5):1-12,19.DOI:10.13969/j.cnki.cn31-1893.2019.05.001.(in Chinese)

[6]传光红,陈以一.部分填充式组合结构框架装配节点静力试验及受剪承载力计算[J].建筑结构学报,2017,38(8):83-92.DOI:10.14006/j.jzjgxb.2017.08.009.CHUAN Guanghong,CHEN Yiyi.Static loading test and shear strength calculation of assembled frame connections of partially encased composite structures[J].Journal of Building Structures,2017,38(8):83-92.DOI:10.14006/j.jzjgxb.2017.08.009.(in Chinese)

[7]KINDMANN R,BERGMANN R,CAJOT L G,et al.Effect of reinforced concrete between the flanges of steel profile of partially encased composite beams[J].Journal of Constructional Steel Research,1997,27(1/2/3):107-122.DOI:10.1016/0143-974X(93)90009-H.

[8]Applied Technology Council.Guidelines for Cyclic Seismic Testing of Components of Steel Structures:ATC-24[S].Redwood:Applied Technology Council,1992.

[9]中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑抗震试验规程:JGJ 101—2015[S].北京:中国建筑工业出版社,2015.Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China.Specification for Seismic Test of Buildings:JGJ 101—2015[S].Beijing:China Architecture & Building Press,2015.(in Chinese)

[10]韩林海.钢管混凝土结构:理论与实践[M].北京:科学出版社,2007:186-195.HAN Linhai.Concrete filled steel tubular structures:theory and practice[M].Beijing:Science Press,2007:186-195.(in Chinese)

[11]刘威.钢管混凝土局部受压时的工作机理研究[D].福州:福州大学,2005.LIU Wei.Research on mechanism of concrete-filled steel tubes subjected to local compression[D].Fuzhou:Fuzhou University,2005.(in Chinese)

[12]SCOOT B D,PARK R,PRIESTLEY M J N.Stress-strain behavior of concrete confined by overlapping hoops at low and high strain rates[J].ACI Structural Journal,1982,79(1):13-27.DOI:10.1016/0378-7788(82)90060-3.

[13]中华人民共和国住房和城乡建设部.混凝土结构设计规范:GB 50010—2010[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China.Code for Design of Concrete Structures:GB 50010—2010[S].Beijing:China Architecture & Building Press,2010.(in Chinese)

[14]张娜.圆中空夹层钢管混凝土柱半刚性节点的抗震试验与理论分析研究[D].合肥:合肥工业大学,2017.ZHANG Na.Experimental study and theoretical analysis of semi-rigid joints to circular CFDSF columns[D].Hefei:Hefei University of Technology,2017.(in Chinese)

[15]中华人民共和国住房和城乡建设部.钢结构设计标准:GB 50017—2017[S].北京:中国建筑工业出版社,2017.Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China.Standard for Design of Steel Structures:GB 50017—2017[S].Beijing:China Architecture & Building Press,2017.(in Chinese)