钢-混凝土组合节点的有限元应力分析

张咏梅，曾晓文

（九江学院 土木与城建学院，江西九江 332005）

钢-混凝土组合节点的有限元应力分析

张咏梅，曾晓文

（九江学院 土木与城建学院，江西九江 332005）

近几十年来，钢-混凝土组合结构在土木工程的高层和超高层建筑中得到广泛应用。在工程设计中采用的节点形式多种多样，且各有其不同的特性。在框架设计时，大都假设为刚接或铰接节点，因而节点的受力特性有一定的差异。在一定荷载条件下，利用ANSYS有限元分析软件对加强环式组合梁-钢管混凝土柱节点进行了模拟分析。其主要结论为：①组合梁-钢管混凝土柱节点在梁下翼缘与加强环交界边缘处最早出现受压屈服区，随后向梁下翼缘、腹板扩散，此处应力变化显著；②混凝土柱基本处于受压状态；③节点区钢筋受力明显，并沿翼板宽度减少。

组合节点；ANSYS；有限元分析

近几十年来，钢管混凝土结构在土木工程的各个领域得到广泛应用［1］。在高层和超高层建筑中，钢管混凝土柱的特殊构造，促进了研究者对梁-柱连接方面的研究。目前有超过20种的节点形式在工程中采用。各种特性不一的节点形式，在引入框架设计时，无一例外地被假设为刚接或铰接节点［2］。

组合梁在节点负弯矩区，受力复杂，需要进一步研究。在有限元中和节点设计时，采用了平截面假定，假设钢梁与混凝土共同作用。

通过对有限元分析结果的校核、修正，建立的有限元分析可以应用于组合梁柱节点分析。对该节点的研究，有助于框架节点研究，指导工程中组合梁柱节点设计，具有一定的实际意义。

1 单元类型的选择

节点模型由钢管、核心混凝土、H型钢梁、混凝土翼板、混凝土翼板中的钢筋和抗剪连接件栓钉组成［3］，本文在ANSYS中选择了以下单元类型对节点各部分进行结构模拟。

1.1 实体单元

在不同的单元族中，连续体或者实体单元能够用来模拟范围最广泛的构件。实体单元可以通过其任何一个表面与其它的单元相连，实体单元就像建筑物中的砖或马赛克中的瓷砖一样，能够用来构建具有几乎任何形状、承受几乎任意载荷的模型。

文中选用了3-D实体单元中的SOLID45，作为钢管、核心混凝土、H型钢梁、混凝土翼板以及栓钉的单元类型。

1.2 杆单元

混凝土翼板中的钢筋，采用了桁架单元中LINK1（2-node linear displacement）。

2 模型的建立与求解

根据上一节所述的单元类型，建立了节点的实体模型，如图1所示，尺寸与试件完全相同。

图2是有限元模型的单元结构划分。由于栓钉与梁柱尺寸比例相差很大，而本模型又都以实体建模，所以局部进行了细化。

图1 有限元模型Fig.1 Finite element model

图2 有限元结构网格划分Fig.2 Finite element meshes

相关材料参数是对节点试验时所采用的材料经力学性能试验测定、材料说明和材料经验公式［4］推算而来，见表1。

表1 有限元中材料参数表Table 1 Parameters of material in finite element

3 结果分析

本文的ANSYS分析结果采用应力云图显示，结果直观，应力云图中应力单位为Pa。显示置值比取75%（Ave Crit：75%）。

3.1 节点加强环处的应力分布

图3和图4是加强环处的等效米塞斯应力（S.Mises））云图，从图中可以看出当梁上荷载加到40，90 k N时，加强环上垂直于梁方向90°范围内的等效应力值非常小。

图3 上翼缘加强环处应力云图Fig.3 Stress nephogram on the reinforced loop of the top flange

图4 下翼缘加强环处应力云图Fig.4 Stress nephogram on the reinforced loop of the lower flange

3.2 沿梁方向的纵向应力分布

图5 至图7是梁端荷载为40，90 k N时纵向应力S.Sll云图。从图中可以清楚地看到：梁上翼缘主要受拉，下翼缘主要受压，上翼缘附近几乎为0，是组合梁中和轴所在位置；沿梁截面从上至下，逐渐由受拉区过渡到受压区，分层明显。下翼缘与加强环交界边缘处最先屈服，之后随着荷载的增加，屈服面向腹板中间和梁端扩大。

图5 上翼缘纵向应力分布Fig.5 Longitudinal stress distribution at the top flange

图6 腹板纵向应力分布Fig.6 Longitudinal stress distribution of the ventral plate

图7 下翼缘纵向应力分布Fig.7 Longitudinal stress distribution of the lower flange

3.3 混凝土柱三向受压的应力状态

图8 是梁端荷载为90 kN时混凝土柱的应力云图，从图中可以看出核心混凝土基本上处于三向受压的应力状态。而与型钢梁连接处的钢管受力复杂，应力较大。

图8 混凝土柱应力分布图Fig.8 Stress of concrete column

3.4 混凝土板应力分布

图9 是在梁端加载90 k N时，混凝土翼板底面纵向应力分布。从图中可以看出，混凝土板与栓钉接触的部分压应力比较大，其余部分受拉力，达到了混凝土屈服拉应力。

图9 混凝土板90 kN时应力分布图Fig.9 Stress of concrete slab under the loading of 90 kN

3.5 钢筋应力分布

图10 是在梁端加载到90 k N时，上层纵向钢筋的应力图，钢筋以桁架单元模拟，所以只有轴力。从图中可以看出，靠近节点区的钢筋应力最大，基本已经屈服。

图10 上层纵筋90 k N时应力分布图Fig.10 Stress of top longitudinal bar under the load of 90 kN

4 结论

本文利用有限元分析软件ANSYS对加强环式钢管混凝土柱-钢混凝土组合梁节点进行了模拟分析。主要结论如下：

（1）梁-钢管混凝土柱节点在梁下翼缘与加强环交界边缘处最早受压屈服，屈服面从此处向梁下翼缘、腹板扩散，此处应力变化非常明显，是节点设计中的重点；

（2）核心混凝土柱在受力过程中，基本处于三向受压状态，混凝土性能与单轴向受压相比有显著改善；

（3）节点区的钢筋受力明显，在沿混凝土翼板宽度方向，钢筋受力呈逐渐减小趋势。

［1］ 钟善桐.钢管混凝土结构（第三版）［M］.北京：清华大学出版社，2003.

［2］ 韩林海，杨有福.现代钢管混凝土结构技术［M］.北京：中国建筑工业出版社，2004.

［3］ 宋彬彬，付功义，虞晓文.圆钢管混凝土梁柱节点有限元分析［J］.低温建筑技术，2005，（2）：49-50.

［4］ 张 誉.混凝土结构基本原理［M］.北京：中国建筑工业出版社，2005.

［5］ ELREMAILY A，AZIZINAMINI A.Design Provisions for Connections between Steel Beams and Concrete Filled Tube Columns［J］.Journal of Constructional Steel Research，2001，（077）：971-995.

Finite Element Stress Analysis on Joint of Steel-Concrete

ZHANG Yong-mei，ZENG Xiao-wen

（College of Civil Engineering and Urban Construction，Jiujiang University，Jiujiang 332005，China）

The steel-concrete composite structure has been used in high-storeyed buildings and over high-storeyed buildings of civil engineering recently.A variety of node types have been adopted in engineering practices.In the framework design，different kinds of node are commonly assumed to be rigid or hinge joint，which possess different node characteristics.Under certain loading condition，the joint node of beam-column steel concrete are simulated using the finite element software ANSYS.Main conclusions are represented as follows：（1）In the junction of the lower flange in the beam and the reinforced loop of the composite beam-column，a yield area occurs first，and then the zone spreads toward the lower flange of the beam and ventral plate，where the change of stress is distinct.（2）The concrete column is in compressive state basically.（3）Steel reinforcements are forced obviously in the node area and forces decrease gradually along the width of the flange plate.

composite joint；ANSYS；finite element analy sis

TU375

A

1001-5485（2009）07-0066-03

2009-02-14；

2009-03-27

张咏梅（1972-），女，湖北荆门人，实验师，主要从事结构性能实验研究，（电话）13407027451（电子信箱）zengxwzxw＠sohu.com。

（编辑：刘运飞）

·简讯·

长江科学院打响国家“十一五”膨胀土课题攻坚战

2009年6月13日，国家“十一五”科技支撑项目之“膨胀土地段渠道破坏机理及处理技术研究”课题阶段成果专题讨论会在河南省南阳市召开。专题讨论会由长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室组织。

专题讨论会对长江科学院完成的膨胀土（岩）物理力学特性试验、物理模型试验、现场原型试验及膨胀土渠坡稳定分析成果进行了系统的对比分析和讨论。会议认为，经过多学科集中攻关研究，课题组在膨胀土（岩）地段渠道破坏机理、膨胀土（岩）渠坡稳定分析及数值模拟方法、膨胀土渠坡处理理念和处理方案现场验证等方面已取得重大突破。

（摘自《长江科学院网》）