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?；诖?，本文利用在型鋼下加焊承壓角鋼的辦法來改進這種連接形式，并通過有限元軟件對這種改進后的型鋼暗牛腿進行了非線性分析。最后本文給出了節(jié)點改進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。可靠的連接可以按設(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，技術(shù)上的進步已經(jīng)達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)達國家的先進水平在研發(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)生塑性變形進而保護混凝土構(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。混凝土的局壓破壞可以導(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)象提出自己的改進措施，并用有限元對改進后的型鋼暗牛腿節(jié)點進行受力分析，對比改進前的節(jié)點承載能力提出建議。

3  改進后節(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辦法進行有限元的分析。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)展狀態(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^[3]中的原節(jié)點的承載力狀況進行對比，故有限元分析中模型的尺寸均與文獻^[3]中的一致。下面進行簡要的模型參數(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^[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 中進行對比：

注：原型鋼暗牛腿節(jié)點有限元計算值參看文獻^[3]

注：公式推導(dǎo)參看參考文獻^[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，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)點做了改進并通過有限元分析了改進后的節(jié)點受力性能。總結(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，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了節(jié)點區(qū)，實現(xiàn)了“強節(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，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結(jié)構(gòu)的延性，起到更好的耗能作用。

參考文獻：

[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.