第51卷第2期2021年1月下
建筑结构Building Structure
Vol．51No．2Jan．2021
DOI :10.19701/j．jzjg．2021.02.009
*国家自然科学基金项目(51778219)。
作者简介：谭杰，硕士研究生，
Email :jietan@hnu．edu．cn 。新型榫卯钢结构梁柱边节点承载力试验及
有限元分析
*
谭杰1，舒兴平1，张再华
2
(1湖南大学土木工程学院钢结构研究所，长沙410082;2湖南城市学院土木工程学院，益阳413000)
［摘要］提出了一种方钢管混凝土柱与外包U 形钢混凝土组合梁的梁柱边节点连接形式，即新型榫卯钢结构梁柱边节点。为研究该节点的承载能力以及破坏模式，开展了2个边节点的单调静力承载试验。试验使用几何可变框架进行柱端加载，并利用ABAQUS 有限元软件对试件进行分析。结果表明：各个试件的破坏主要集中于贯穿槽钢与钢管柱的焊缝，该类组合节点具有较高的承载能力和延性；有限元理论分析与试验结果吻合良好，验证了理论分析的正确性。
［关键词］榫卯钢结构；边节点；单调静力承载试验；承载能力；延性中图分类号:TU398.9
文献标识码:A
文章编号:1002-848X (2021)01-0050-07［引用本文］谭杰，舒兴平，张再华．新型榫卯钢结构梁柱边节点承载力试验及有限元分析［J ］．建筑结构，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
随着我国房屋建筑过程中建筑技术的不断提高以及建筑产业的不断发展，各种新的构件和结构形式不断出现。其中钢-混凝土组合结构能够发挥两种材料各自的优良特性，使得它们各自的力学性能都能够充分利用，目前已经广泛应用于实际工程项目中。
当钢管混凝土柱
［1］
受压时，钢管内部混凝土受
到约束而处于三向受压状态，从而拥有更高的承载能力，同时由于填充混凝土，柱内部的钢管壁的稳定性和承载力显著提高。外包U 形钢混凝土组合梁
［2］
是一种相较于传统的工字钢混凝土组合梁的
新型组合结构梁，其做法是将钢板直接冷弯成带内
翻边的U 形截面，然后同时浇筑U 形钢梁内部混凝
土和上部翼缘混凝土，并通过一定的构造措施，使得T 形混凝土梁和U 形外包钢同时作用。这种结构形式具有结构受力合理、施工速度快、工厂化程度高、防火性能好等优点。
节点是结构设计的关键部位，它的设计形式直接关系到整个结构的安全性。目前针对外包U 形梁和钢管混凝土柱的几种常见的节点形式，国内外
展开了广泛研究。其中李风［3］
研究双节点板与上节点板加内插板两种形式的节点抗震性能；石启印等［4］
研究具有外加强环负筋贯通的U 形组合梁和
第51卷第2期谭杰，等．新型榫卯钢结构梁柱边节点承载力试验及有限元分析
圆钢管混凝土柱的滞回性能；林彦、周学军等［5］
研究隔板贯通钢筋贯穿式与钢筋截断式节点的抗震
性能;Hong-Gun Park 等［6］研究了U 形梁与混凝土柱连接节点的抗震性能;Cheol-Ho Lee 等［7］研
究U 形梁与H 形钢柱连接节点的抗震性能
。
图4试件SJ-
1构造详
图图2外包U 形钢-混凝土组合梁剖
面
图3试件现场图
综合上述国内外对外包U 形组合梁与柱的连
接节点的研究现状可知，
目前对于外包U 形梁与方钢管混凝土柱的研究较多，但提出的仅有的几种节
点形式在构造和推广使用上都有各自的局限性，故而本文在已有的几种节点形式的基础上，结合外包U 形梁的受力特点、实际安装使用、工厂化及传统木结构榫卯连接特点等，提出了一种新的节点形式，即榫卯钢结构梁柱边节点，并对两个边节点进行了单向静载试验，研究这类边节点的承载能力、破坏模式等。1
新型边节点构造
本文提出的榫卯钢结构梁柱边节点具体构造为：节点处主梁方向由两片槽钢通过钢管混凝土
柱，
槽钢与柱焊接，外包U 形主梁包裹主梁槽钢与槽钢焊接，同时次梁的槽钢通过钢管混凝土柱和主梁槽钢，外包U 形次梁焊接在次梁槽钢上。在主梁方向，混凝土楼板内上方设置负筋，钢筋末端焊接在钢管柱壁上。混凝土楼板采用钢筋桁架楼承板，为了使组合梁更好地达到组合效果，钢筋桁架楼承板降板15mm ，并将钢筋桁架楼承板的下缘桁架钢
筋焊在U 形梁的上翼缘。图1为榫卯钢结构边节
点三维构造详图。图2为外包U 形混凝土组合梁剖面，图3为试件现场图
。
图1榫卯钢结构边节点构造详图
2
试验概况
2.1试件设计及制作
试验共设计制作了2个试件(SJ-1，SJ-2)，试件
SJ-1，SJ-2的人为控制因素为主梁梁高。表1为各个试件的具体尺寸。钢筋桁架楼承板的具体型号为TD3-90。试件SJ-1的详细尺寸如图4所示。试件SJ-2的主梁梁高与试件SJ-1不同。本试件钢管柱采用的是成品方钢管，外包U 形
梁通过成品矩形管上翼缘开孔加工制作得到，通过
1
5
建筑
结构2021年
试件具体尺寸
表1
试件编号
柱
主梁方钢管截面
外包U 形钢梁截面
楼板宽度/mm
楼板厚度/mm 楼板负筋主梁贯通槽钢截面SJ-1250ˑ250ˑ61500ˑ300ˑ
150ˑ50ˑ41450
140314550ˑ296ˑ50ˑ6SJ-2250ˑ250ˑ6
1500ˑ400ˑ
150ˑ50ˑ4
1450
140
3
14
550ˑ396ˑ50ˑ6
注：柱与主梁的混凝土强度等级为C30。
冷弯钢板形成贯通槽钢，钢筋桁架楼承板则直接购买成品。浇筑时，将梁内混凝土和楼板混凝土一次浇筑成型。为了使钢管柱内混凝土密实，采用分层浇筑的方法，先浇筑节点下部的混凝土，再浇筑节点上部混凝土，浇筑过程中不断用振捣棒振捣。按照《金属材
料拉伸试验第1部分：室温试验方法》(GB /T 228.1—2010)［8］测得的各钢板材性见表2。按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》
(GB /T 50081—2002)［9］对混凝土立方体试块进行强度测试，试验结果表明混凝土的立方体抗压强度为26.11MPa 。
钢板的材料性能
表2
钢板类型厚度/mm 屈服强度/MPa 极限强度/MPa
伸长率
钢管
6296385
29%外包U 形钢
427035133%贯通槽钢
6
305
409
27%
2.2试验装置
本次节点试验在湖
南城市学院结构实验室进行，本次试验反力架采用的是改进型几何可变框式试验架
［10］
，如图5，
6所示。试验采用液压伺服控制系统，柱顶水平荷载采用100t 液压伺服作动器进行加载，钢管混凝土柱轴向力使用千斤顶竖向加载。试验应变数据通过DH3816电阻应变箱进行采集。图5试验加载装置
2.3加载方案
本次试验采用柱端加载方式，考虑P-Δ效应，
图6试验装置现场图
将柱底设为固定铰支座，梁端设为单向滑动铰支
座，计算简图如图7所示。加载程序分为预加载、正式加载两步。预加载一般分两级进行，每级取10kN 。然后分级
卸载，分2 3级卸完，加(卸)1级，停歇10min 。正式加载时，柱顶按设计的轴压比(n =0.15)施加固定的轴压力。对试件SJ-1，SJ-2进
行单调静载试验，加载过程中，节点屈服前用荷载控制，以10kN 为一个加载等级。屈服后用位移控
制，
取4mm 作为加载位移的步长进行加载。节点破坏以荷载低于极限承载力的85%为标志判断。
图7
试验加载计算简图
2.4量测内容
图8为试件的位移计测点布置图，测量内容包括柱的水平位移、柱的侧向位移、梁端的水平位移和竖向位移以及梁柱转角等，共布置了8个位移计(D1 D8)。图9为应变片测点布置图，布置了S1 S11，T1 T3，B1 B4，Z1 Z8共26个应变片，S 表示
钢材上的应变片，
B ，T 分别表示不同部位的钢筋上的应变片，
Z 表示钢管柱上的应变片。3试验结果及分析
3.1试验现象及破坏特征分析
试件SJ-1加载初期没有特别明显的试验现象，当加载至38mm 时，混凝土楼板与次梁交接的侧面
出现微小裂缝，加载至59.07mm 时，主梁贯穿槽钢与钢管柱的下端焊缝开始撕裂，随着荷载进一步增大，焊缝缺口逐渐张开扩大，当加载至92.58mm 时，
试件达到极限承载力，节点核心区的方钢管柱的翼
2
5
第51卷第2期谭杰，等．新型榫卯钢结构梁柱边节点承载力试验及有限元
分析
图8位移计测点布置
图图9应变片测点布置图
缘部位局部鼓曲，此后荷载逐渐减小，节点破坏，见图10所示。
试件SJ-1，SJ-2由于只是梁高发生了变化，试验现象和破坏特征基本类似。当加载至22.64mm时，混凝土板侧面逐渐出现裂缝，并不断扩展。加载至55.76mm时，主梁贯穿槽钢尾部的上翼缘与钢柱的焊缝开始撕裂。加载至68.67mm时，试件SJ-2达到极限承载力，节点最终破坏形态如图11所示。试件SJ-1，SJ-2破坏的位置不同，呈现出不同的破坏形态，试件SJ-1呈现出梁端破坏，试件SJ-2表现为柱端破坏。在整个试验过程中，混凝土翼缘板与组合
梁没有发生滑移，说明组合梁的组合效果良好
。
图10试件SJ-1
破坏形态图11试件SJ-2破坏形态
试件SJ-1失效原因在于贯穿槽钢的下翼缘与钢管柱的连接焊缝剪切破坏，连接焊缝剪切破坏主要原因是由于翼缘混凝土楼板对贯穿槽钢上翼缘有了加强作用，致使在承受较大的剪力作用下，下翼缘首先发生了破坏。同时由于柱翼缘开孔削弱，导致钢管柱在承受剪力作用时，节点区域的柱翼缘出现了局部鼓曲现象。试件SJ-2失效原因同样在于贯穿槽钢尾部与钢管柱的连接焊缝水平剪切破坏，两个试件的破坏模式都体现了不同程度的剪切破坏形态。
由两个试件的破坏特征可知，对于本文提出这种梁贯通式的连接节点，钢管柱与贯穿槽钢的连接焊缝受拉破坏和受剪破坏是节点设计中需要重点考虑的因素。
3.2荷载-位移曲线
两个试件的荷载-位移曲线如图12所示，横轴位移为柱顶的实测水平位移值，纵轴为作动器水平方向施加的荷载，位移和水平荷载以向右为正，向左为负。由图12的荷载-位移曲线可知:
(1)两个试件的屈服点、极限点的位移和荷载列于表3，Δy，F y分别为节点屈服时的位移与荷载;Δu，F u为节点的极限位移和荷载。屈服点的确定可根据文献［11］通过作图法确定。通过表3中数据可知，梁的高度增加对节点的屈服荷载和极限承载力都有一定程度的提高，同时梁高的增加使得屈服位移和极限位移有所降低。
(2)每个试件都经历了弹性阶段、塑性阶段以及破坏阶段。试件SJ-2的弹性阶段曲线斜率比试件SJ-1的大，这是由于梁高的增加使得节点的刚度有所增大。两个试件的塑性阶段曲线都较为平缓，说明该种类型节点的延性较好。破坏阶段两个试件曲线都出现了一个较大斜率的曲线段，这是由于两个试件都是焊缝撕裂而导致节点不能再继续承载所致。
3.3水平荷载-转角曲线
各个试件的水平荷载-转角曲线如图13所示，水平荷载以向右为正，转角逆时针为正。节点区转
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建筑
结构2021
年
图14试件SJ-
1应变曲
线图15试件SJ-
2应变曲线两个
试件试验结果
表3
试件编号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
图12荷载-位移曲线图13水平荷载-转角曲线
角可由余弦定理计算得到。
由水平荷载-转角曲线可知，弹性阶段转角随着
荷载的增大增幅较小，两个试件的初始刚度分别达到了4743，
8589kN /rad 。试件屈服进入弹塑性阶段后，
转角随荷载增大增加的幅度加快。试件SJ-1，SJ-2达到极限荷载时的转角分别为0.1013，
0.0493rad 。由试件SJ-1与SJ-2的水平荷载-转角曲线对比可知，随着节点承载能力和刚度的提高，节点的转动能力有所减弱。3.4应变曲线
图14，
15给出了两个试件在不同荷载作用下的梁两个关键截面的应变分布曲线以及两个试件钢
管柱壁部分关键点的荷载-应变曲线。图中以拉应
变为正，
压应变为负。由图14，15可知:(1)由两个试件的梁截面的应变分布曲线可知，加载初期，应变分布基本满足平截面假定，梁截面上的应变基本呈线性变化。随着荷载增大，
U 形梁逐渐进入塑性阶段，应变增长的越来越快。试件SJ-1梁截面上的应变均为拉应变，可以判断中和轴位于混凝土楼板内，试件SJ-2梁截面上应变片S1，S2，S7，S8应变为压应变，其余应变片应变为拉应变，可以得知梁L1-L1截面的中和轴位于S2与S3之间，梁L2-L2截面的中和轴位于S8与S9之间。(2)由钢管柱关键点应变和梁截面上的应变大小可以得知，试件加载过程中历经弹性阶段、塑性阶段以及破坏阶段。试件最大拉应变出现在主梁的下翼缘和柱的上半部分的远梁端翼缘，最大压应变出现在柱的上半部分的近梁端翼缘和柱的下半部分远梁端翼缘。试件SJ-1与SJ-2均是最大拉应变大于最
大压应变，故而拉应变区域的板件首先屈服。试件SJ-1梁端的下翼缘的拉应变大于柱的上半部分远梁端翼缘拉应变，故试件SJ-1的梁端下翼缘首先屈服。试件SJ-2的柱上半部分远梁端拉应变大于梁端下翼缘拉应变，故试件SJ-2首先屈服的板件位于柱的上半部分远梁端翼缘。
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