第51卷第2期2021年1月下
建筑結構Building Structure
Vol．51No．2Jan．2021
DOI :10.19701/j．jzjg．2021.02.009
*國家自然科學基金項目(51778219)。
作者簡介：譚杰，碩士研究生，
Email :jietan@hnu．edu．cn 。新型榫卯鋼結構梁柱邊節點承載力試驗及
有限元分析
*
譚杰1，舒興平1，張再華
2
(1湖南大學土木工程學院鋼結構研究所，長沙410082;2湖南城市學院土木工程學院，益陽413000)
［摘要］提出了一種方鋼管混凝土柱與外包U 形鋼混凝土組合梁的梁柱邊節點連接形式，即新型榫卯鋼結構梁柱邊節點。為研究該節點的承載能力以及破壞模式，開展了2個邊節點的單調靜力承載試驗。試驗使用幾何可變框架進行柱端加載，并利用ABAQUS 有限元軟件對試件進行分析。結果表明：各個試件的破壞主要集中于貫穿槽鋼與鋼管柱的焊縫，該類組合節點具有較高的承載能力和延性；有限元理論分析與試驗結果吻合良好，驗證了理論分析的正確性。
［關鍵詞］榫卯鋼結構；邊節點；單調靜力承載試驗；承載能力；延性中圖分類號:TU398.9
文獻標識碼:A
文章編號:1002-848X (2021)01-0050-07［引用本文］譚杰，舒興平，張再華．新型榫卯鋼結構梁柱邊節點承載力試驗及有限元分析［J ］．建筑結構，2021，51(2):50-56．TAN Jie ，SHU Xingping ，ZHANG Zaihua．Bearing capacity test and finite element analysis of beam-column edge joints of new tenon-morti steel structure ［J ］．Building Structure ，2021，51(2):50-56．
Bearing capacity test and finite element analysis of beam-column edge joints of
new tenon-morti steel structure TAN Jie 1，SHU Xingping 1，ZHANG Zaihua 2
(1Steel Structural Institute of Civil Engineering College ，Hunan University ，Changsha 410082，China ;
2College of Civil Engineering ，Hunan City University ，Yiyang 413000，China )
Abstract :A new type of beam-column edge joint between concrete-filled square steel column and composite concrete-filled U-shaped steel beam was propod ，which was called beam-column edge joint of new tenon-morti steel structure．In order to study the bearing capacity and failure mode of the joints ，bearing capacity test with monotonic static of two edge joints were carried out．In the experiment ，the geometrically variable frame was ud to carry out the test loading at the top of the column ，and ABAQUS finite element software was ud to analyze the specimen．The results show that the failure of the specimens is mainly concentrated in the welds between the channel steel and the steel pipe column ，and the composite joints have high bearing capacity and ductility．The results of finite element analysis are in good agreement with the experimental results ，which verify the correctness of the theoretical analysis．
Keywords :tenon-morti steel structure ;edge joint ;bearing capacity test with monotonic static ;bearing capacity ;ductility
0引言
隨著我國房屋建筑過程中建筑技術的不斷提高以及建筑產業的不斷發展，各種新的構件和結構形式不斷出現。其中鋼-混凝土組合結構能夠發揮兩種材料各自的優良特性，使得它們各自的力學性能都能夠充分利用，目前已經廣泛應用于實際工程項目中。
當鋼管混凝土柱
［1］
受壓時，鋼管內部混凝土受
到約束而處于三向受壓狀態，從而擁有更高的承載能力，同時由于填充混凝土，柱內部的鋼管壁的穩定性和承載力顯著提高。外包U 形鋼混凝土組合梁
［2］
是一種相較于傳統的工字鋼混凝土組合梁的
新型組合結構梁，其做法是將鋼板直接冷彎成帶內
翻邊的U 形截面，然后同時澆筑U 形鋼梁內部混凝
土和上部翼緣混凝土，并通過一定的構造措施，使得T 形混凝土梁和U 形外包鋼同時作用。這種結構形式具有結構受力合理、施工速度快、工廠化程度高、防火性能好等優點。
節點是結構設計的關鍵部位，它的設計形式直接關系到整個結構的安全性。目前針對外包U 形梁和鋼管混凝土柱的幾種常見的節點形式，國內外
展開了廣泛研究。其中李風［3］
研究雙節點板與上節點板加內插板兩種形式的節點抗震性能；石啟印等［4］
研究具有外加強環負筋貫通的U 形組合梁和
第51卷第2期譚杰，等．新型榫卯鋼結構梁柱邊節點承載力試驗及有限元分析
圓鋼管混凝土柱的滯回性能；林彥、周學軍等［5］
研究隔板貫通鋼筋貫穿式與鋼筋截斷式節點的抗震
性能;Hong-Gun Park 等［6］研究了U 形梁與混凝土柱連接節點的抗震性能;Cheol-Ho Lee 等［7］研
究U 形梁與H 形鋼柱連接節點的抗震性能
。
圖4試件SJ-
1構造詳
圖圖2外包U 形鋼-混凝土組合梁剖
面
圖3試件現場圖
綜合上述國內外對外包U 形組合梁與柱的連
接節點的研究現狀可知，
目前對于外包U 形梁與方鋼管混凝土柱的研究較多，但提出的僅有的幾種節
點形式在構造和推廣使用上都有各自的局限性，故而本文在已有的幾種節點形式的基礎上，結合外包U 形梁的受力特點、實際安裝使用、工廠化及傳統木結構榫卯連接特點等，提出了一種新的節點形式，即榫卯鋼結構梁柱邊節點，并對兩個邊節點進行了單向靜載試驗，研究這類邊節點的承載能力、破壞模式等。1
新型邊節點構造
本文提出的榫卯鋼結構梁柱邊節點具體構造為：節點處主梁方向由兩片槽鋼通過鋼管混凝土
柱，
槽鋼與柱焊接，外包U 形主梁包裹主梁槽鋼與槽鋼焊接，同時次梁的槽鋼通過鋼管混凝土柱和主梁槽鋼，外包U 形次梁焊接在次梁槽鋼上。在主梁方向，混凝土樓板內上方設置負筋，鋼筋末端焊接在鋼管柱壁上。混凝土樓板采用鋼筋桁架樓承板，為了使組合梁更好地達到組合效果，鋼筋桁架樓承板降板15mm ，并將鋼筋桁架樓承板的下緣桁架鋼
筋焊在U 形梁的上翼緣。圖1為榫卯鋼結構邊節
點三維構造詳圖。圖2為外包U 形混凝土組合梁剖面，圖3為試件現場圖
。
圖1榫卯鋼結構邊節點構造詳圖
2
試驗概況
2.1試件設計及制作
試驗共設計制作了2個試件(SJ-1，SJ-2)，試件
SJ-1，SJ-2的人為控制因素為主梁梁高。表1為各個試件的具體尺寸。鋼筋桁架樓承板的具體型號為TD3-90。試件SJ-1的詳細尺寸如圖4所示。試件SJ-2的主梁梁高與試件SJ-1不同。本試件鋼管柱采用的是成品方鋼管，外包U 形
梁通過成品矩形管上翼緣開孔加工制作得到，通過
1
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建筑
結構2021年
試件具體尺寸
表1
試件編號
柱
主梁方鋼管截面
外包U 形鋼梁截面
樓板寬度/mm
樓板厚度/mm 樓板負筋主梁貫通槽鋼截面SJ-1250?250?61500?300?
150?50?41450
140314550?296?50?6SJ-2250?250?6
1500?400?
150?50?4
1450
140
3
14
550?396?50?6
注：柱與主梁的混凝土強度等級為C30。
冷彎鋼板形成貫通槽鋼，鋼筋桁架樓承板則直接購買成品。澆筑時，將梁內混凝土和樓板混凝土一次澆筑成型。為了使鋼管柱內混凝土密實，采用分層澆筑的方法，先澆筑節點下部的混凝土，再澆筑節點上部混凝土，澆筑過程中不斷用振搗棒振搗。按照《金屬材
料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》(GB /T 228.1—2010)［8］測得的各鋼板材性見表2。按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》
(GB /T 50081—2002)［9］對混凝土立方體試塊進行強度測試，試驗結果表明混凝土的立方體抗壓強度為26.11MPa 。
鋼板的材料性能
表2
鋼板類型厚度/mm 屈服強度/MPa 極限強度/MPa
伸長率
鋼管
6296385
29%外包U 形鋼
427035133%貫通槽鋼
6
305
409
27%
2.2試驗裝置
本次節點試驗在湖
南城市學院結構實驗室進行，本次試驗反力架采用的是改進型幾何可變框式試驗架
［10］
，如圖5，
6所示。試驗采用液壓伺服控制系統，柱頂水平荷載采用100t 液壓伺服作動器進行加載，鋼管混凝土柱軸向力使用千斤頂豎向加載。試驗應變數據通過DH3816電阻應變箱進行采集。圖5試驗加載裝置
2.3加載方案
本次試驗采用柱端加載方式，考慮P-Δ效應，
圖6試驗裝置現場圖
將柱底設為固定鉸支座，梁端設為單向滑動鉸支
座，計算簡圖如圖7所示。加載程序分為預加載、正式加載兩步。預加載一般分兩級進行，每級取10kN 。然后分級
卸載，分2 3級卸完，加(卸)1級，停歇10min 。正式加載時，柱頂按設計的軸壓比(n =0.15)施加固定的軸壓力。對試件SJ-1，SJ-2進
行單調靜載試驗，加載過程中，節點屈服前用荷載控制，以10kN 為一個加載等級。屈服后用位移控
制，
取4mm 作為加載位移的步長進行加載。節點破壞以荷載低于極限承載力的85%為標志判斷。
圖7
試驗加載計算簡圖
2.4量測內容
圖8為試件的位移計測點布置圖，測量內容包括柱的水平位移、柱的側向位移、梁端的水平位移和豎向位移以及梁柱轉角等，共布置了8個位移計(D1 D8)。圖9為應變片測點布置圖，布置了S1 S11，T1 T3，B1 B4，Z1 Z8共26個應變片，S 表示
鋼材上的應變片，
B ，T 分別表示不同部位的鋼筋上的應變片，
Z 表示鋼管柱上的應變片。3試驗結果及分析
3.1試驗現象及破壞特征分析
試件SJ-1加載初期沒有特別明顯的試驗現象，當加載至38mm 時，混凝土樓板與次梁交接的側面
出現微小裂縫，加載至59.07mm 時，主梁貫穿槽鋼與鋼管柱的下端焊縫開始撕裂，隨著荷載進一步增大，焊縫缺口逐漸張開擴大，當加載至92.58mm 時，
試件達到極限承載力，節點核心區的方鋼管柱的翼
2
5
第51卷第2期譚杰，等．新型榫卯鋼結構梁柱邊節點承載力試驗及有限元
分析
圖8位移計測點布置
圖圖9應變片測點布置圖
緣部位局部鼓曲，此后荷載逐漸減小，節點破壞，見圖10所示。
試件SJ-1，SJ-2由于只是梁高發生了變化，試驗現象和破壞特征基本類似。當加載至22.64mm時，混凝土板側面逐漸出現裂縫，并不斷擴展。加載至55.76mm時，主梁貫穿槽鋼尾部的上翼緣與鋼柱的焊縫開始撕裂。加載至68.67mm時，試件SJ-2達到極限承載力，節點最終破壞形態如圖11所示。試件SJ-1，SJ-2破壞的位置不同，呈現出不同的破壞形態，試件SJ-1呈現出梁端破壞，試件SJ-2表現為柱端破壞。在整個試驗過程中，混凝土翼緣板與組合
梁沒有發生滑移，說明組合梁的組合效果良好
。
圖10試件SJ-1
破壞形態圖11試件SJ-2破壞形態
試件SJ-1失效原因在于貫穿槽鋼的下翼緣與鋼管柱的連接焊縫剪切破壞，連接焊縫剪切破壞主要原因是由于翼緣混凝土樓板對貫穿槽鋼上翼緣有了加強作用，致使在承受較大的剪力作用下，下翼緣首先發生了破壞。同時由于柱翼緣開孔削弱，導致鋼管柱在承受剪力作用時，節點區域的柱翼緣出現了局部鼓曲現象。試件SJ-2失效原因同樣在于貫穿槽鋼尾部與鋼管柱的連接焊縫水平剪切破壞，兩個試件的破壞模式都體現了不同程度的剪切破壞形態。
由兩個試件的破壞特征可知，對于本文提出這種梁貫通式的連接節點，鋼管柱與貫穿槽鋼的連接焊縫受拉破壞和受剪破壞是節點設計中需要重點考慮的因素。
3.2荷載-位移曲線
兩個試件的荷載-位移曲線如圖12所示，橫軸位移為柱頂的實測水平位移值，縱軸為作動器水平方向施加的荷載，位移和水平荷載以向右為正，向左為負。由圖12的荷載-位移曲線可知:
(1)兩個試件的屈服點、極限點的位移和荷載列于表3，Δy，F y分別為節點屈服時的位移與荷載;Δu，F u為節點的極限位移和荷載。屈服點的確定可根據文獻［11］通過作圖法確定。通過表3中數據可知，梁的高度增加對節點的屈服荷載和極限承載力都有一定程度的提高，同時梁高的增加使得屈服位移和極限位移有所降低。
(2)每個試件都經歷了彈性階段、塑性階段以及破壞階段。試件SJ-2的彈性階段曲線斜率比試件SJ-1的大，這是由于梁高的增加使得節點的剛度有所增大。兩個試件的塑性階段曲線都較為平緩，說明該種類型節點的延性較好。破壞階段兩個試件曲線都出現了一個較大斜率的曲線段，這是由于兩個試件都是焊縫撕裂而導致節點不能再繼續承載所致。
3.3水平荷載-轉角曲線
各個試件的水平荷載-轉角曲線如圖13所示，水平荷載以向右為正，轉角逆時針為正。節點區轉
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建筑
結構2021
年
圖14試件SJ-
1應變曲
線圖15試件SJ-
2應變曲線兩個
試件試驗結果
表3
試件編號Δy /mm
F y /kN Δu /mm F u /kN SJ-134.0768.4892.5895.21SJ-2
31.40
98.19
68.67
121.88
圖12荷載-位移曲線圖13水平荷載-轉角曲線
角可由余弦定理計算得到。
由水平荷載-轉角曲線可知，彈性階段轉角隨著
荷載的增大增幅較小，兩個試件的初始剛度分別達到了4743，
8589kN /rad 。試件屈服進入彈塑性階段后，
轉角隨荷載增大增加的幅度加快。試件SJ-1，SJ-2達到極限荷載時的轉角分別為0.1013，
0.0493rad 。由試件SJ-1與SJ-2的水平荷載-轉角曲線對比可知，隨著節點承載能力和剛度的提高，節點的轉動能力有所減弱。3.4應變曲線
圖14，
15給出了兩個試件在不同荷載作用下的梁兩個關鍵截面的應變分布曲線以及兩個試件鋼
管柱壁部分關鍵點的荷載-應變曲線。圖中以拉應
變為正，
壓應變為負。由圖14，15可知:(1)由兩個試件的梁截面的應變分布曲線可知，加載初期，應變分布基本滿足平截面假定，梁截面上的應變基本呈線性變化。隨著荷載增大，
U 形梁逐漸進入塑性階段，應變增長的越來越快。試件SJ-1梁截面上的應變均為拉應變，可以判斷中和軸位于混凝土樓板內，試件SJ-2梁截面上應變片S1，S2，S7，S8應變為壓應變，其余應變片應變為拉應變，可以得知梁L1-L1截面的中和軸位于S2與S3之間，梁L2-L2截面的中和軸位于S8與S9之間。(2)由鋼管柱關鍵點應變和梁截面上的應變大小可以得知，試件加載過程中歷經彈性階段、塑性階段以及破壞階段。試件最大拉應變出現在主梁的下翼緣和柱的上半部分的遠梁端翼緣，最大壓應變出現在柱的上半部分的近梁端翼緣和柱的下半部分遠梁端翼緣。試件SJ-1與SJ-2均是最大拉應變大于最
大壓應變，故而拉應變區域的板件首先屈服。試件SJ-1梁端的下翼緣的拉應變大于柱的上半部分遠梁端翼緣拉應變，故試件SJ-1的梁端下翼緣首先屈服。試件SJ-2的柱上半部分遠梁端拉應變大于梁端下翼緣拉應變，故試件SJ-2首先屈服的板件位于柱的上半部分遠梁端翼緣。
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