外加強環(huán)式圓鋼管混凝土柱-鋼梁框架節(jié)點有限元分析

許鳳美，徐夢琴，許成祥，盧海林

(長江大學城市建設學院，湖北 荊州 434023)

外加強環(huán)式圓鋼管混凝土柱-鋼梁框架節(jié)點有限元分析

許鳳美，徐夢琴，許成祥，盧海林

(長江大學城市建設學院，湖北 荊州 434023)

在選擇合理的材料本構關系和破壞準則的基礎上，建立外加強環(huán)式鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點三維非線性有限元計算模型，分析柱梁抗彎強度比及核心區(qū)混凝土對節(jié)點受力性能的影響。結果表明，鋼管混凝土節(jié)點柱梁抗彎強度比應加以限制，核心混凝土大大提高了節(jié)點的承載能力，節(jié)點傳力模式符合斜壓桿機理。

鋼管混凝土；框架節(jié)點；節(jié)點柱梁抗彎強度比；有限元分析

鋼管混凝土柱框架節(jié)點是連接框架梁柱的關鍵部位，在框架中起著傳遞內力、分配內力和保證結構整體性的作用。鋼管框架結構梁柱節(jié)點的受力性能對結構整體性能以及結構的安全性有著非常重要的影響。

由于框架節(jié)點受力性能的復雜性和試驗研究的局限性，依靠試驗研究還有許多不足，通過數(shù)值分析的方法研究其受力性能是一種有效的途徑。筆者建立一個適用于節(jié)點區(qū)外加強環(huán)式鋼管混凝土柱-鋼梁框架節(jié)點試件的三維有限元分析模型，討論柱梁抗彎強度比及核心區(qū)混凝土對外加強環(huán)式節(jié)點受力性能的影響。該模型能描述結構材料和幾何非線性特征，并且用于數(shù)值分析時穩(wěn)定且有效。

1 有限元模型的建立

表1 模型尺寸及混凝土強度等級

根據(jù)《鋼管混凝土結構設計與施工規(guī)程》[1]的要求，對外加強環(huán)式節(jié)點進行了設計與計算。為了研究柱梁抗彎強度比及核心混凝土對節(jié)點受力性能的影響，建立了3個節(jié)點模型，分別為J1，J2，J3，模型尺寸及混凝土強度等級見表1。梁長每邊各取1.05m，柱上下各取1.30m，加強環(huán)寬度取50mm?；炷翉姸鹊燃夁x用C40，其彈性模量為3.25×104N/mm2,泊松比為0.2；鋼材選用Q235，其彈性模量為2.06×105N/mm2,泊松比為0.3,屈服強度為235.0N/mm2。

對節(jié)點有限元模型中的鋼管選用SOLID45單元[2]，此單元由8個節(jié)點組成，在每個節(jié)點上有3個自由度，分別沿著3個坐標軸方向。鋼梁及外加強環(huán)選用SHELL181單元，由于該單元節(jié)點具有X、Y、Z位移方向及X、Y、Z旋轉方向的6個自由度，和鋼管單元節(jié)點自由度的性質不同，這樣在它們的連接處會出現(xiàn)“約束不足”的現(xiàn)象，因此，在殼和實體單元的連接處需要耦合自由度。鋼材均采用兩折線模型(如圖1)，彈性階段斜率為Es，屈服后塑性階段斜率取0.11Es[2]?；炷恋哪M采用ANSYS內部專門針對混凝土材料的三維實體單元SOLID65?；炷恋谋緲嬯P系采用多線性等向(MISO)模型，其中各點的坐標按照文獻[2]提出的核心混凝土應力-應變關系模型，其本構關系如圖2所示。該模型以約束效應系數(shù)ξ作為衡量鋼管和混凝土相互作用的基本參數(shù)，筆者所建立的J1和J2兩個節(jié)點模型的約束效應系數(shù)ξ分別為1.04和1.54。

在采用ANSYS進行非線性分析的過程中，同時考慮材料非線性和大位移大應變的幾何非線性，迭代方法采用完全的Newton-Raphson法[2]，收斂方式采用力的二范數(shù)進行判斷[2]。節(jié)點網格劃分模型如圖3所示。

圖1 鋼材應力-應變關系圖2 混凝土應力-應變關系

圖3 節(jié)點網格劃分模型

2 荷載和邊界條件

采用約束柱上下兩端面上節(jié)點的X-Y-Z3向位移的方法模擬柱上、下面的鉸接，先在柱頂按軸壓比0.4(n=N/Ascfsc)施加軸向力[3]，為避免應力集中，將集中力等效為面荷載施加。然后在節(jié)點2側梁端施加反對稱荷載，采用位移控制的方式進行加載。

3 結果分析

3.1柱梁抗彎剛度比對節(jié)點性能的影響

普通鋼筋混凝土框架節(jié)點的破壞形式[4]可歸納為以下4種：①梁端受彎破壞；②柱端壓彎破壞；③錨固破環(huán)；④核心區(qū)剪切破環(huán)。上述4種破壞形式，第1種屬延性破環(huán)，其余3種均屬脆性破環(huán)，應設法予以避免。同樣，在進行鋼管混凝土框架節(jié)點的設計時，遵循“強柱弱梁”原則。為了確定柱梁抗彎強度比對節(jié)點破壞形態(tài)的影響，計算時選用J1和J2兩種節(jié)點模型進行對比分析。

圖4 節(jié)點網格劃分模型

1)環(huán)板應力 節(jié)點鋼梁上翼緣屈服時，環(huán)板的VON MISES應力如圖4所示[5]。由圖4可知，J1節(jié)點的塑性鉸出現(xiàn)在鋼梁端部翼緣，并逐漸向遠離節(jié)點的方向擴展。J2節(jié)點的塑性鉸首先出現(xiàn)在梁與環(huán)板交接的轉角處，且有向節(jié)點核心區(qū)發(fā)展的趨勢。

2)節(jié)點破壞形態(tài) 極限承載力狀態(tài)時，將節(jié)點核心區(qū)鋼管截面MISES應力映射到其環(huán)向路徑(以節(jié)點右側鋼管與連接腹板連接處為起點)上，如圖5和圖6所示。

圖5 J1鋼管應力分布 圖6 J2鋼管應力分布

由圖中曲線可以看出，節(jié)點核心區(qū)鋼管距腹板的1/4圓周處為應力最大點，即最危險點。另外，對于柱梁設計抗彎強度比為1.3的模型J2，在極限承載力作用下，節(jié)點區(qū)的部分柱面也已經達到塑性。因此，對于鋼管混凝土節(jié)點的設計，應考慮適當提高對柱梁抗彎強度比的要求。為了實現(xiàn)“強柱弱梁”，柱梁抗彎強度比應加以限制。Azizinamini和Schneier[5]曾對鋼管混凝-鋼梁節(jié)點的設計提出了設計建議，對于全貫通焊接節(jié)點約為1.5；對于角焊縫節(jié)點，約為2.0。

3.2核心區(qū)混凝土對節(jié)點性能的影響

筆者對空鋼管節(jié)點模型J3和同尺寸鋼管混凝土節(jié)點模型J1進行了計算，J3節(jié)點核心區(qū)鋼管截面MISES應力沿環(huán)向路徑的映射曲線如圖7所示。

1)鋼管應力 由圖7可以看出，J3核心區(qū)鋼管壁內外壁均達到屈服狀態(tài)，且應力相差不大。由圖5可以看出，J1節(jié)點核心區(qū)鋼管內外壁都未達屈服狀態(tài)，內壁應力明顯小于外壁。說明鋼管混凝土節(jié)點所受的內力通過鋼管壁與核心混凝土間的交界面，已經部分或大部分的傳給了核心混凝土，使得鋼管表面應力減小。此外，核心區(qū)混凝土在徑向支撐著節(jié)點處的鋼管壁，增大了節(jié)點的剛度，從而大大提高了鋼管混凝土節(jié)點的承載力。

2)核心區(qū)混凝土最大主應力 核心區(qū)混凝土主應力矢量分布如圖8所示。從圖8可以看出，核心區(qū)混凝土最大主應力基本沿對角線方向，說明節(jié)點傳力模式符合斜壓桿機理。Elremaily A等[5]給出了按照斜壓桿機理推出的核心區(qū)混凝土抗剪強度計算公式：

(1)

式中，fc為混凝土抗壓強度；dc為鋼管直徑。

圖7 J3鋼管應力分布 圖8 核心區(qū)混凝土主應力矢量分布圖

4 結 論

通過對外加強環(huán)式圓鋼管混凝土柱-鋼梁框架節(jié)點進行有限元分析，可得出以下結論：

1)通過對節(jié)點模型J1和J2對比分析可以看出，柱梁抗彎剛度比為1.3的節(jié)點不能很好的滿足“強柱弱梁”的設計要求。因此，在進行鋼管混凝土-鋼梁節(jié)點設計時，應適當提高對柱梁抗彎強度比的要求，對于全貫通焊接節(jié)點約為1.5；對于角焊縫節(jié)點，約為2.0。

2)通過對空鋼管節(jié)點與鋼管混凝土節(jié)點的數(shù)值計算，比較得知核心混凝土能大大提高節(jié)點承載力。由核心區(qū)混凝土主應力矢量分布圖可以看出，節(jié)點傳力模式符合斜壓桿機理。

[1]CECS28:90，鋼管混凝土結構設計與施工規(guī)程[S].

[2]韓林海，馮九斌.混凝土的本構關系及其在鋼管混凝土數(shù)值分析中的應用[J].哈爾濱建筑大學學報，1995，28(5)：27～30.

[3]韓林海.鋼管混凝土結構[M].北京：科學出版社，2000.

[4]唐九如.鋼筋混凝土框架節(jié)點抗震[M].南京：東南大學出版社，1989.

[5]Elremaily A，Azizinamini A. Design provisions for connections betweensteel beams and concrete filled tube columns[J]. Journal of Constructional SteelResearch， 2001，57(9)： 971～995.

[編輯] 易國華

2009-08-14

許鳳美(1982-)，女，2005年大學畢業(yè)，碩士生，現(xiàn)主要從事結構工程專業(yè)方面的研究工作。

TU398；TU528.57

A

1673-1409(2009)04-N098-03