摘要：型鋼暗牛腿節(jié)點是一種新型的全裝配式混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點連接形式，這種連接形式具有傳力路徑明確、承載能力高等優(yōu)點而日益受到人們關(guān)注。但是，由于受力復(fù)雜和局壓的現(xiàn)象，該節(jié)點中型鋼下的混凝土存在著極容易被壓碎的問題。基于此，本文利用在型鋼下加焊承壓角鋼的辦法來改進(jìn)這種連接形式，并通過有限元軟件對這種改進(jìn)后的型鋼暗牛腿進(jìn)行了非線性分析。最后本文給出了節(jié)點改進(jìn)前后的破壞形式和極限承載力的對比，并對此類節(jié)點的工程應(yīng)用給出了建議。

關(guān)鍵詞：預(yù)制混凝土； 框架節(jié)點； 型鋼暗牛腿； 有限元； 局部承壓

預(yù)制構(gòu)件組成的裝配式結(jié)構(gòu)的安全性，不完全取決于構(gòu)件的質(zhì)量，同時還取決于這些構(gòu)件與周邊構(gòu)件的連接?？煽康倪B接可以按設(shè)計的要求實現(xiàn)合理傳遞規(guī)定的內(nèi)力。

據(jù)幾次大地震的調(diào)查表明，預(yù)制混凝土墻結(jié)構(gòu)在震后破壞較輕，而大空間的預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)破壞較嚴(yán)重，主要表現(xiàn)為因各構(gòu)件間的連接破壞而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體離散、倒塌[4]。預(yù)制構(gòu)件間的連接是預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，也是預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)研究的重點及結(jié)構(gòu)整體抗震研究的前提和基礎(chǔ)。

1  問題的提出

國外裝配式框架節(jié)點考慮延性的設(shè)計方法比較先進(jìn)，技術(shù)上的進(jìn)步已經(jīng)達(dá)到了對任何常用的框架

結(jié)構(gòu)，都可以建造具有抗震能力的整體結(jié)構(gòu)^[1]。我國的預(yù)制裝配式延性框架的研究還比較落后，與發(fā)達(dá)國家的先進(jìn)水平在研發(fā)和應(yīng)用上還有較大的差距，客觀上要求開發(fā)新型的裝配式延性框架以及其延性連接節(jié)點的構(gòu)造方法。新型延性框架中的“干式”節(jié)點除了滿足承載能力要求外還將考慮節(jié)點的抗震性能，把構(gòu)件端部的變形性能也考慮進(jìn)來。根據(jù)預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)的特點，新型節(jié)點的構(gòu)造應(yīng)該具備如下特點：

（1）對于預(yù)制裝配式框架結(jié)構(gòu)而言連接方式應(yīng)為剛接，形成強(qiáng)節(jié)點。

（2）傳力路徑明確，盡量將剪力傳遞路徑與彎矩傳遞路徑分開。

（3）充分利用延性較好的鋼材形成塑性鉸，并且盡量使塑性鉸區(qū)在離開柱邊的地方產(chǎn)生，這樣可以保證節(jié)點核心區(qū)的受力安全。

本文主要針對一種新型干式節(jié)點進(jìn)行分析其受力性能以及存在的不足，給出自己的改善方法并對這種改善后的節(jié)點進(jìn)行了有限元分析，最后對該新型節(jié)點的發(fā)展提出自己的建議。

2  一種新型干式連接的優(yōu)缺點

由于牛腿的承載力很高，豎向力能較可靠地傳遞，牛腿連接的方式在干式連接中相當(dāng)普遍。在住宅或商業(yè)用房中，牛腿應(yīng)盡量滿足建筑的要求，此時常把牛腿做成不影響美觀的暗牛腿。對于暗牛腿，可以有很多種做法，如型鋼暗牛腿，混凝土暗牛腿等。

在這些暗牛腿連接中，型鋼暗牛腿連接由于其傳力明確，變形性能良好使得這種連接方式具有很好的未來前景。下面將對這種型鋼暗牛腿連接節(jié)點的連接形式以及受力性能進(jìn)行簡要的介紹。

如圖 1 所示該節(jié)點就是將型鋼直接伸出來而不用混凝土包裹直接做成暗牛腿，梁端的剪力可以直接通過牛腿傳遞到柱子上，梁端的彎矩可以通過梁端和牛腿頂部設(shè)置的預(yù)埋件傳遞。當(dāng)剪力較大時，用型鋼作成的牛腿還可以減小暗牛腿的高度，相應(yīng)地增加梁端缺口梁的高度以增加抗剪能力。

由此可見，新型節(jié)點的牛腿與普通的牛腿的區(qū)別在于：牛腿不僅要為預(yù)制梁端提供豎向反力，而且要能夠提供反向彎矩，并且該種連接有效地將剪力與彎矩的傳遞路徑分開。通過合理的設(shè)計連接蓋板，可以較好的發(fā)揮鋼材的延性，是連接構(gòu)件產(chǎn)生塑性變形進(jìn)而保護(hù)混凝土構(gòu)件。

但是該種連接形式中型鋼暗牛腿下的混凝土受力是相當(dāng)復(fù)雜的，型鋼暗牛腿下的混凝土極容易被壓碎，也就是存在著局壓現(xiàn)象?；炷恋木謮浩?span style="text-indent:2em;">壞可以導(dǎo)致整個梁柱節(jié)點喪失承載能力，使得節(jié)點無法充分發(fā)揮其承載力以及變形能力。這是該種連接方式的一個缺點^[2]。

本文將對這種型鋼下混凝土存在的局壓現(xiàn)象提出自己的改進(jìn)措施，并用有限元對改進(jìn)后的型鋼暗牛腿節(jié)點進(jìn)行受力分析，對比改進(jìn)前的節(jié)點承載能力提出建議。

3  改進(jìn)后節(jié)點的有限元分析

本文上述部分說明了型鋼暗牛腿節(jié)點的受力性能良好，并且傳力路徑明確的優(yōu)點。但是局部承壓問題是該連接方式的一個不足之處。為了使得該連接形式的各部分能充分發(fā)揮其承載力以及變形性能，可以通過在型鋼暗牛退的上下各一定高度范圍內(nèi)加密柱的箍筋，或者在柱邊型鋼的下翼緣外側(cè)加焊一塊角鋼等辦法來使豎向應(yīng)力更好的傳遞并且防止局部受壓破壞^[3]。

由于型鋼暗牛腿節(jié)點本身采用的就是焊接連接形式，故在型鋼底部加焊一塊角鋼的辦法在工程中的應(yīng)用可行性是很高的。本文著重對這種改進(jìn)辦法進(jìn)行有限元的分析。通過有限元分析來了解這種改良辦法的效果，以及改良后的節(jié)點承載力提高的情況。

3.1   有限元算例的參數(shù)介紹

本次有限元分析采用的軟件為美國 ANSYS 公司開發(fā)研制的 ANSYS 10.0，該軟件可以得到大量的結(jié)構(gòu)反應(yīng)信息，比如結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)變、應(yīng)力、裂縫發(fā)展?fàn)顟B(tài)等。為了能把這種改良后的節(jié)點承載力狀況和參考文獻(xiàn)^[3]中的原節(jié)點的承載力狀況進(jìn)行對比，故有限元分析中模型的尺寸均與文獻(xiàn)^[3]中的一致。下面進(jìn)行簡要的模型參數(shù)介紹：模型中的混凝土材料均采用 solid65 進(jìn)行模擬，solid65 單元可以很好地模擬混凝土的開裂（三個正交方向）、壓碎、塑性變形及徐變，還可以模擬鋼筋的拉伸、壓縮、塑性變形及蠕變。模型中采用分離式配筋，鋼筋采用 link8 模擬。模型中的承壓鋼板則采用 solid95 模擬，該單元具有二十個節(jié)點每個節(jié)點都有 3 個自由度，是一種高精度單元?？梢阅M各種金屬材料，如鋼板等。

型鋼暗牛腿選用槽鋼 2[16，埋入柱內(nèi) 500mm，伸出柱面 200mm，柱為邊長 600mm 的方柱，柱高取 2900mm，柱子的混凝土強(qiáng)度等級為 C30。柱中箍筋為 HPB 235 級鋼筋直徑均為 8mm 且間距為100mm。柱中縱向受力鋼筋為 HRB 335 級鋼直徑為20mm，型鋼以及改良該節(jié)點性能所用的承壓角鋼均采用 HPB 235 級鋼。型鋼下邊緣加入承壓角鋼，選用等邊角鋼 L100×10。

本次模擬采用映射分網(wǎng)形式，將單元劃分為長寬高相差不大的實體，并在著重研究的部位如型鋼下的混凝土以及承壓角鋼處進(jìn)行比較密的劃分，以求得更加真實的應(yīng)力。通過約束位移來模擬邊界條件，將柱的最下端固結(jié)；將柱子最上端水平面內(nèi)的水平位移釋放掉來模擬滑動鉸支座。

由于本次有限元分析著重考慮型鋼下的混凝土局壓現(xiàn)象以及改良后的效果，所以本次模擬不考慮梁的受力性能，所以將梁傳來的荷載轉(zhuǎn)化為面載加在型鋼上部表面，并且不考慮牛腿下部梁端傳來的水平力。

3.2   有限元結(jié)果分析

本次試算采用非線性分析，首先初步估算一個極限承載力，然后將這個數(shù)值乘以一個比較大的系數(shù)進(jìn)行荷載的施加，求出不收斂時承載力的大致范圍，然后通過荷載步的方法往前找到模型破壞時的承載力。

如圖 2 模型結(jié)果顯示，改良后的節(jié)點破壞原因為型鋼翼緣的屈曲破壞，而并非是型鋼下的混凝土被壓壞。這與原節(jié)點的破壞形式有著明顯的不同，這種破壞形式可以充分的發(fā)揮型鋼的承載能力以及延性性能，從而保護(hù)了節(jié)點區(qū)。加焊承壓角鋼后的應(yīng)力分布如圖 3 所示，可以從圖中發(fā)現(xiàn)型鋼下混凝土應(yīng)力均勻且在較小的水平，局部承壓現(xiàn)象得到明顯改善。也就是說所加的承壓角鋼對型鋼下的混凝土的局壓現(xiàn)象有很好的改善效果。

由于承壓角鋼很好的保護(hù)了型鋼下的混凝土不受到局部壓應(yīng)力的影響，使得整個節(jié)點的承載力有了很大程度的提高。由文獻(xiàn)^[2]中所給的局部承壓計算公式 1 計算出來的原節(jié)點受局壓破壞時的極限承載力、有限元計算出來的沒有加焊承壓角鋼的極限承載力以及由本文用 ANSYS 分析計算出來的加焊承壓角鋼后的節(jié)點極限承載力分別列于表 1 中進(jìn)行對比：

注：原型鋼暗牛腿節(jié)點有限元計算值參看文獻(xiàn)^[3]

注：公式推導(dǎo)參看參考文獻(xiàn)^[2]

式中：

l－埋入柱中的型鋼長度；

a－剪跨；

b－型鋼的寬度；

f_c^' －柱中混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計值；

H－型鋼暗牛腿的截面高度；

表 1 中原節(jié)點的承載力是型鋼下混凝土的局部壓應(yīng)力起控制作用，也就是通過計算混凝土受局壓破壞時的荷載來定義承載力。改良后的節(jié)點局部壓應(yīng)力已不再起控制作用，其承載能力是由型鋼翼緣屈服時的承載能力為準(zhǔn)，所以改良后節(jié)點的承載力是由型鋼翼緣屈曲破壞時的荷載來定義的。

通過表 1 中的承載力對比，可以清楚地看到改良后的節(jié)點的承載力有明顯的增加。這是由于原節(jié)點存在著比較大的局壓（如圖 4 所示），混凝土極容易被壓碎，節(jié)點其他部分的承載能力無法充分的發(fā)揮，所以當(dāng)荷載過大節(jié)點就產(chǎn)生的局壓破壞。而加焊了承壓角鋼之后，承壓角鋼承受了部分型鋼傳來的力，減輕了型鋼下混凝土的局部受壓狀況，很好的保護(hù)好了型鋼下的混凝土，使得節(jié)點各部分的性能更好的發(fā)揮，由于混凝土受壓應(yīng)力均勻所以破壞形態(tài)也發(fā)生了改變，不再是局壓破壞而是型鋼翼緣屈曲破壞（如圖 2 所示），解決局部壓應(yīng)力問題使得承載能力也提高了很多。

4  結(jié)論

型鋼暗牛腿的受力是相當(dāng)復(fù)雜的，特別是埋在混凝土柱中的部分，國內(nèi)外對于這種連接方式的理論研究都還不成熟，本文主要針對這種節(jié)點做了改進(jìn)并通過有限元分析了改進(jìn)后的節(jié)點受力性能?？偨Y(jié)全文，主要包括以下幾個方面：

（1）加焊承壓角鋼后，型鋼下的混凝土得到了很好的保護(hù)，破壞形式由混凝土局壓破壞轉(zhuǎn)化為型鋼翼緣變形過大而發(fā)生的翼緣屈曲破壞。這種破壞形式很好的保護(hù)了節(jié)點區(qū)，實現(xiàn)了“強(qiáng)節(jié)點，弱構(gòu)件”的抗震設(shè)計要求。

（2）加焊承壓角鋼后，局壓破壞已不再是節(jié)點承載能力的制約原因，節(jié)點各部分可以更好的發(fā)揮性能，節(jié)點的承載能力有了明顯提高，本文算例中的豎向承載力提高了近 60%。

（3）由于混凝土節(jié)點區(qū)的增強(qiáng)，破壞形式為型鋼翼緣屈服破壞，這種破壞形式充分的發(fā)揮鋼材的延性，有利于在地震作用下增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的延性，起到更好的耗能作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 薛偉辰. 預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)體系研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].工業(yè)建筑,2002,31(11): 47-50.

[2] 朱筱俊, 黃祥海, 梁書亭. 型鋼暗牛腿柱內(nèi)混凝土局壓驗算[J].特種結(jié)構(gòu),2008,25(2):107－110.

[3] 黃祥海. 新型全預(yù)制裝配式混凝土框架節(jié)點研究[D].東南大學(xué)碩士學(xué)位論文,2006.3.

[4] 范力. 裝配式預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能研究[D].同濟(jì)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2007.12.

[5] 林宗凡,E.I.Sagan,M.E.Kreger.裝配式抗震框架延性節(jié)點研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報,1998, 26(2):134-138.

[6] 劉正勇,應(yīng)惠清.裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)節(jié)點構(gòu)造方法簡介[J].施工技術(shù),2008,37: 26-29.