外加强环式圆钢管混凝土柱-钢梁框架节点有限元分析

许凤美，徐梦琴，许成祥，卢海林

(长江大学城市建设学院，湖北 荆州 434023)

外加强环式圆钢管混凝土柱-钢梁框架节点有限元分析

许凤美，徐梦琴，许成祥，卢海林

(长江大学城市建设学院，湖北 荆州 434023)

在选择合理的材料本构关系和破坏准则的基础上，建立外加强环式钢管混凝土柱-钢梁节点三维非线性有限元计算模型，分析柱梁抗弯强度比及核心区混凝土对节点受力性能的影响。结果表明，钢管混凝土节点柱梁抗弯强度比应加以限制，核心混凝土大大提高了节点的承载能力，节点传力模式符合斜压杆机理。

钢管混凝土；框架节点；节点柱梁抗弯强度比；有限元分析

钢管混凝土柱框架节点是连接框架梁柱的关键部位，在框架中起着传递内力、分配内力和保证结构整体性的作用。钢管框架结构梁柱节点的受力性能对结构整体性能以及结构的安全性有着非常重要的影响。

由于框架节点受力性能的复杂性和试验研究的局限性，依靠试验研究还有许多不足，通过数值分析的方法研究其受力性能是一种有效的途径。笔者建立一个适用于节点区外加强环式钢管混凝土柱-钢梁框架节点试件的三维有限元分析模型，讨论柱梁抗弯强度比及核心区混凝土对外加强环式节点受力性能的影响。该模型能描述结构材料和几何非线性特征，并且用于数值分析时稳定且有效。

1 有限元模型的建立

表1 模型尺寸及混凝土强度等级

根据《钢管混凝土结构设计与施工规程》[1]的要求，对外加强环式节点进行了设计与计算。为了研究柱梁抗弯强度比及核心混凝土对节点受力性能的影响，建立了3个节点模型，分别为J1，J2，J3，模型尺寸及混凝土强度等级见表1。梁长每边各取1.05m，柱上下各取1.30m，加强环宽度取50mm。混凝土强度等级选用C40，其弹性模量为3.25×104N/mm2,泊松比为0.2；钢材选用Q235，其弹性模量为2.06×105N/mm2,泊松比为0.3,屈服强度为235.0N/mm2。

对节点有限元模型中的钢管选用SOLID45单元[2]，此单元由8个节点组成，在每个节点上有3个自由度，分别沿着3个坐标轴方向。钢梁及外加强环选用SHELL181单元，由于该单元节点具有X、Y、Z位移方向及X、Y、Z旋转方向的6个自由度，和钢管单元节点自由度的性质不同，这样在它们的连接处会出现“约束不足”的现象，因此，在壳和实体单元的连接处需要耦合自由度。钢材均采用两折线模型(如图1)，弹性阶段斜率为Es，屈服后塑性阶段斜率取0.11Es[2]。混凝土的模拟采用ANSYS内部专门针对混凝土材料的三维实体单元SOLID65。混凝土的本构关系采用多线性等向(MISO)模型，其中各点的坐标按照文献[2]提出的核心混凝土应力-应变关系模型，其本构关系如图2所示。该模型以约束效应系数ξ作为衡量钢管和混凝土相互作用的基本参数，笔者所建立的J1和J2两个节点模型的约束效应系数ξ分别为1.04和1.54。

在采用ANSYS进行非线性分析的过程中，同时考虑材料非线性和大位移大应变的几何非线性，迭代方法采用完全的Newton-Raphson法[2]，收敛方式采用力的二范数进行判断[2]。节点网格划分模型如图3所示。

图1 钢材应力-应变关系图2 混凝土应力-应变关系

图3 节点网格划分模型

2 荷载和边界条件

采用约束柱上下两端面上节点的X-Y-Z3向位移的方法模拟柱上、下面的铰接，先在柱顶按轴压比0.4(n=N/Ascfsc)施加轴向力[3]，为避免应力集中，将集中力等效为面荷载施加。然后在节点2侧梁端施加反对称荷载，采用位移控制的方式进行加载。

3 结果分析

3.1柱梁抗弯刚度比对节点性能的影响

普通钢筋混凝土框架节点的破坏形式[4]可归纳为以下4种：①梁端受弯破坏；②柱端压弯破坏；③锚固破环；④核心区剪切破环。上述4种破坏形式，第1种属延性破环，其余3种均属脆性破环，应设法予以避免。同样，在进行钢管混凝土框架节点的设计时，遵循“强柱弱梁”原则。为了确定柱梁抗弯强度比对节点破坏形态的影响，计算时选用J1和J2两种节点模型进行对比分析。

图4 节点网格划分模型

1)环板应力 节点钢梁上翼缘屈服时，环板的VON MISES应力如图4所示[5]。由图4可知，J1节点的塑性铰出现在钢梁端部翼缘，并逐渐向远离节点的方向扩展。J2节点的塑性铰首先出现在梁与环板交接的转角处，且有向节点核心区发展的趋势。

2)节点破坏形态 极限承载力状态时，将节点核心区钢管截面MISES应力映射到其环向路径(以节点右侧钢管与连接腹板连接处为起点)上，如图5和图6所示。

图5 J1钢管应力分布 图6 J2钢管应力分布

由图中曲线可以看出，节点核心区钢管距腹板的1/4圆周处为应力最大点，即最危险点。另外，对于柱梁设计抗弯强度比为1.3的模型J2，在极限承载力作用下，节点区的部分柱面也已经达到塑性。因此，对于钢管混凝土节点的设计，应考虑适当提高对柱梁抗弯强度比的要求。为了实现“强柱弱梁”，柱梁抗弯强度比应加以限制。Azizinamini和Schneier[5]曾对钢管混凝-钢梁节点的设计提出了设计建议，对于全贯通焊接节点约为1.5；对于角焊缝节点，约为2.0。

3.2核心区混凝土对节点性能的影响

笔者对空钢管节点模型J3和同尺寸钢管混凝土节点模型J1进行了计算，J3节点核心区钢管截面MISES应力沿环向路径的映射曲线如图7所示。

1)钢管应力 由图7可以看出，J3核心区钢管壁内外壁均达到屈服状态，且应力相差不大。由图5可以看出，J1节点核心区钢管内外壁都未达屈服状态，内壁应力明显小于外壁。说明钢管混凝土节点所受的内力通过钢管壁与核心混凝土间的交界面，已经部分或大部分的传给了核心混凝土，使得钢管表面应力减小。此外，核心区混凝土在径向支撑着节点处的钢管壁，增大了节点的刚度，从而大大提高了钢管混凝土节点的承载力。

2)核心区混凝土最大主应力 核心区混凝土主应力矢量分布如图8所示。从图8可以看出，核心区混凝土最大主应力基本沿对角线方向，说明节点传力模式符合斜压杆机理。Elremaily A等[5]给出了按照斜压杆机理推出的核心区混凝土抗剪强度计算公式：

(1)

式中，fc为混凝土抗压强度；dc为钢管直径。

图7 J3钢管应力分布 图8 核心区混凝土主应力矢量分布图

4 结 论

通过对外加强环式圆钢管混凝土柱-钢梁框架节点进行有限元分析，可得出以下结论：

1)通过对节点模型J1和J2对比分析可以看出，柱梁抗弯刚度比为1.3的节点不能很好的满足“强柱弱梁”的设计要求。因此，在进行钢管混凝土-钢梁节点设计时，应适当提高对柱梁抗弯强度比的要求，对于全贯通焊接节点约为1.5；对于角焊缝节点，约为2.0。

2)通过对空钢管节点与钢管混凝土节点的数值计算，比较得知核心混凝土能大大提高节点承载力。由核心区混凝土主应力矢量分布图可以看出，节点传力模式符合斜压杆机理。

[1]CECS28:90，钢管混凝土结构设计与施工规程[S].

[2]韩林海，冯九斌.混凝土的本构关系及其在钢管混凝土数值分析中的应用[J].哈尔滨建筑大学学报，1995，28(5)：27～30.

[3]韩林海.钢管混凝土结构[M].北京：科学出版社，2000.

[4]唐九如.钢筋混凝土框架节点抗震[M].南京：东南大学出版社，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.

[编辑] 易国华

2009-08-14

许凤美(1982-)，女，2005年大学毕业，硕士生，现主要从事结构工程专业方面的研究工作。

TU398；TU528.57

A

1673-1409(2009)04-N098-03