钢骨－钢管混凝土柱与钢梁节点力学性能分析

邹 波，孙鹏举，徐亚丰

(1．辽宁石油化工大学，辽宁抚顺113001;2．沈阳建筑大学土木工程学院，辽宁沈阳110168)

近期，许多专家对钢管混凝土核心柱深入研究的成果表明:钢管混凝土组合柱的核心钢管混凝土与外侧钢筋混凝土不一定能够协同工作直至破坏。针对这种结构形式的不足，徐亚丰教授提出了“钢骨－钢管混凝土柱”并获得国家专利。在这种新型结构形式中，钢骨和钢管分别对混凝土提供约束作用，在合理设计后可使钢管内外混凝土同时达到极限承载力，从而提高了其承载力和抗震性能［1］。

本文在继承了这种新型结构形式优点的基础之上，提出了一种新型的钢骨－钢管混凝土柱与钢梁节点形式，即在钢管与钢梁连接部位采用环梁连接，钢梁的腹板和环板同时与钢管焊接，钢管外部浇筑钢筋混凝土，在混凝土外部用角钢与缀板加固。这种节点形式具有构造简单、传力明确的优点。

综上所述，笔者在前人总结的本构模型的基础上，利用大型通用有限元分析软件ABAQUS对钢骨－钢管混凝土柱与钢梁节点进行静力性能的有限元分析。

1 非线性有限元分析模型的建立

1.1 节点的简化计算模型

在框架节点模拟实验中，一般近似取框架梁、柱反弯点与框架节点间距离作为试件的梁、柱长度，本实验为节省计算机资源，近似按照实体试件的1/2进行建模。

1.2 模型的设计尺寸

本文采用加强环板式节点［2］，即将工字钢梁上、下翼缘与环板焊接，环板和梁腹板同时与钢管外壁焊接。钢管与角钢均采用Q345级钢，钢管直径133mm，壁厚5mm;工字钢采用三块钢板焊接，腹板尺寸为－10×270，翼缘尺寸为－15×100;角钢采用 50×4;缀板尺寸为－4×200，以间距115mm沿纵向均匀布置;钢筋均采用HPB235，其中纵筋为4φ10，箍筋采用φ8双肢箍，间距100mm(图1、图2)。

图1 节点几何模型

图2 节点有限元模型

1.3 试件的主要参数及力学指标

本实验主要研究不同轴压比作用下钢骨－钢管混凝土柱的力学性能，具体试件分组如表1、表2所示。

表1 试件主要参数表

表2 钢材力学指标(MPa)

1.4 材料的本构关系

1.4.1 钢材的本构模型

在有限元分析中，经过简化，将钢材的应力—应变关系分为四段，其表达式为:

当 ε≤εe1时，σ=Esε

当 εe1＜ε≤εe2时，σ=fy

当 εe2＜ε≤εe3时，σ=fy+Es/［150(ε－εe2)］

当 ε≥εe3时，σ=fu

式中:Es为钢材的弹性模量;fu和fy分别为钢材的屈服强度和极限强度，fu=1.6 fy;εe1，εe2，εe3为弹性极限应变、屈服应变和强化应变，εe2=10εe1，εe3=100εe1。

1.4.2 钢筋的本构模型

钢筋的应力应变关系采用双直线模型，数学表达式如下:

当 ε≤εs时，σs=Esεs

当 ε＞εs时，σs=fy

1.4.3 钢管内部混凝土的本构模型

圆钢管内混凝土本构模型采用韩林海教授研究的本构模型［4］进行计算，钢管外混凝土的本构关系有多种形式。钢管混凝土核心柱外围混凝土的本构关系采用美国E．Hognestad建议的模型;对于只有外包角钢加固的混凝土本构关系，本文采用的是考虑角钢框架套箍效应而对混凝土强度进行修正的模型［5］。

1.5 单元类型的选择

钢管、钢梁、角钢、缀板、核心混凝土和外围混凝土均采用8节点线性减缩积分格式的三维实体单元(C3D8R)，通过加密网格来降低体积锁闭影响［4］。钢筋采用2节点线性减缩积分式三维桁架单元(T3D2)。

1.6 荷载步设置

在第一个分析步中对柱顶端施加轴向力，在第二个分析步中保持柱顶端的轴向力大小不变，对左右梁端分别施加反向的荷载，并用位移控制。

1.7 单元划分

本文采用的划分方法是六面体为主的网格划分，其对计算的精确性较好。在反复的试验之后，笔者在节点区域内采用较为密实的网格划分，这样可以集中计算机资源对重点研究区域进行精确计算。

1.8 不同材料界面的处理

模型中的各部件采用“绑定”的方式接触，这样各接触面上只有力的传递，而没有相对的位移。对于钢筋则采用“嵌入”的方式置入到混凝土的内部，从而使各个部件共同工作。

2 分析结果

2.1 各构件变形后的应力云图

根据上述分析，建立了各种构件的模型。以SJ－14节点试件为例进行说明。构件的变形图、应力云图如图3、图4所示。

图3 节点应力云图

图4 钢管与钢梁应力云图

试件节点区域钢管与钢梁都发生了明显的屈服现象。其中，在钢梁根部的工字钢翼缘已经发生平面外的屈曲破坏，可以判断塑性铰位置出现在钢梁的根部。此时梁端已经达到极限承载力，如果继续加载，钢梁将失去承载效果，梁端位移将迅速增大。柱的上下两端铰接，中间节点部位随梁发生扭转，柱整体有向“S”形变形的趋势。在柱的受压一侧，角钢和内部的受压纵筋已经受压屈服，角钢与混凝土表面发生剥离，而受拉侧的角钢与受拉纵筋均未屈服。缀板与箍筋均承受拉应力，在角钢与纵筋均收压的一侧，缀板与箍筋的拉应力最大。钢管内混凝土受到钢管的约束处于三向受压状态，在节点区域内部已经受压屈服。钢管外部混凝土受力状态与外部角钢相似，在受压一侧已经屈服破坏，应力最大的部位出现在梁根部。

2.2 轴压比的影响

通过改变柱顶部的轴向压力，分别取轴压比为0.5～0.9进行分析，荷载及位移关系如图5所示。

图5 不同轴压比作用下梁端荷载－位移曲线

由图5可知，随着轴压比的增大，框架节点的竖向刚度有所降低，极限承载力也随之下降。当轴压比大于0.8后，节点下部柱在过大的轴力作用下迅速屈服，竖向刚度下降明显，虽然钢梁并未达到极限承载力，但是柱顶端的竖向位移过大，而使得结构不能再继续承担荷载。因此，建议在设计时钢管－钢骨混凝土柱与钢梁节点轴压比不宜超过0.8。

3 结束语

通过大型有限元软件ABAQUS的模拟分析，通过模拟实验的破坏特征，可以得出如下结论。

(1)试件的承载力和竖向刚度随着轴压比的增大而逐渐降低，当轴压比大于0.8时，试件的竖向刚度和节点区塑性转动能力下降明显，梁端位移随荷载增加而变化的趋势过快，因此，建议在设计时钢管－钢骨混凝土柱与钢梁节点轴压比不宜超过0.8。

(2)随着轴压比的增加，节点核心区内部结构在轴力作用下的初始应力逐渐增加。当轴压比小于0.5时，节点核心区结构始终处于弹性变形阶段。当轴压比大于0.8时，节点核心区内部钢管在轴压力作用下的应变值已经接近屈服应变，在梁端稍加荷载后，节点核心区立即屈服，进入塑性变形阶段。因此，轴压比越高，钢骨－钢管混凝土柱与钢梁节点塑性承载力越低。

［1］ 徐亚丰，贾连光．钢骨－钢管混凝土结构技术［M］．北京:科学出版社，2009

［2］ CECS 188:2005钢管混凝土叠合柱结构技术规程［S］

［3］ 徐亚丰，宋宝峰，李刚，等．十字形钢骨混凝土异形柱轴心受压承载力的试验研究［J］．沈阳建筑大学学报(自然科学版)，2007，23(6):910－914

［4］ 韩林海，陶忠，王文达．现代组合结构和混合结构—试验、理论和方法［M］．北京:科学出版社，2009

［5］ 陈先明，彭卫．外包角钢加固柱受载全过程分析［J］．桥梁建设，1999(3):11－13