型钢混凝土梁—柱节点受力性能分析

薛 伟

(山西四建集团有限公司，山西太原 030012)

0 引言

型钢混凝土结构因为其较好的延展性能及刚度大、高强度等优点，在地震多发区的高层建筑中被广泛的使用。而型钢混凝土结构中最常见的结构形式为梁—柱结构，在型钢混凝土梁—柱节点区域，材料性能、截面形式均发生突变，承受荷载集中，成为整个构建的安全性能关键区域。因此，分析节点区域荷载分布规律、破坏形式，为型钢混凝土梁—柱节点设计提供有效依据是非常关键的。但是由于节点处受力情况及多种材料性能的复杂性，仅凭实验、经验公式等手段并不能对其性能完全了解。有限元非线性分析方法，可以对多种节点形式进行静、动荷载分析，得出其非线性性能，进一步为不同形式型钢混凝土节点设计提供依据。

1 型钢混凝土有限元理论

1.1 非线性问题的分析方法

通过非线性求解是把单一荷载分解细分为若干步的递增系列荷载，当某一步荷载增量解出后，对刚度矩阵进行调整然后继续计算下一步增量，最终准确得出节点刚度非线性变化。需要对纯粹增量计算加以修正，方可得出较为准确的数据。ANSYS软件通过对线性近似附加校正得出节点的非线性变化。纯粹增量式解和牛顿—拉弗逊迭代求解示意图见图1，图2。

图1 纯粹增量式解

图2 牛顿—拉弗逊迭代求解

1.2 节点模型单元类型

1)节点混凝土单元类型。

通过8节点实体65单元模型来对节点混凝土进行模拟，释放节点沿x，y，z三方向平动及转动六个自由度。

2)节点型钢单元类型。

通过4节点壳体43单元模型来对节点型钢进行模拟，释放节点沿x，y，z三方向平动及转动六个自由度。

2 型钢混凝土梁—柱节点模型分析

型钢混凝土梁—柱节点计算模型设计。

按照不同梁、柱形式设计多种型钢混凝土梁—柱节点，梁截面参数及配筋形式见表1，柱截面参数及配筋形式见表2。

表1 梁截面参数及配筋形式 mm

表2 柱截面参数及配筋形式 mm

型钢混凝土梁—柱节点模型的材料性能见表3。

表3 材料性能

在地震灾害中，各式节点均是遭受剪切荷载而发生破坏，将构件的抗剪能力作为节点关键承载力。型钢混凝土梁—柱节点中实腹式型钢主要承受拉压荷载，并进一步减小混凝土斜压缩应变，当构件达到极限形态之前均可以确保腹板的屈服。同时，节点区域混凝土约束腹板使其在节点到达极限形态前不会发生局部屈曲，有助于提升构件的抗剪能力，并进一步提升节点的极限承载力。因为加入了型钢腹板，型钢混凝土梁—柱节点相较于同等强度的钢筋混凝土梁—柱节点，初裂强度得到了提高。

在型钢混凝土梁—柱节点中，一部分轴向荷载以及弯矩、剪力由型钢承担。型钢腹板承受剪力，等同于柱构件腹板与翼缘部分组成的板式钢架形成的承力体系承受剪力。在构件不承受任何轴向荷载作用情况下，承力体系几乎呈现单纯受剪形态。在施加荷载的前期，型钢腹板开始参与抗剪，发生均匀变形，当节点混凝土产生裂缝时，型钢腹板处剪力明显增大，变形也随之快速增加。工程中经常使用的工字型钢，翼缘处尺寸较小，剪力主要通过抗侧刚度明显的型钢腹板来承担。

通过分析得知，当型钢混凝土梁—柱节点中柱构件型钢腹板的高度变小时，节点处柱构件的极限抗弯承载力随之明显减小，计算得出的数据也同样印证了这一变化，破坏也是源于梁—柱节点关键区域的破坏，根据这一趋势可以得知，型钢混凝土梁—柱节点中柱构件型钢腹板高度对构件节点的极限承载能力有着很大的影响。当型钢混凝土梁—柱节点中柱构件型钢翼缘的宽度变大时，节点处柱构件的极限抗弯承载力随之明显增大，计算得出的数据也同样印证了这一变化，整个构件破坏同样也是源于梁—柱节点关键区域的破坏。破坏时，柱构件几乎达到了极限状态。

3 结语

1)型钢混凝土梁—柱节点关键区域的抗剪能力很大程度上取决于型钢腹板的抗剪能力。而翼缘处因为抗侧刚度相对较弱，主要承担抗弯曲能力，而忽视其抗剪作用。

2)型钢混凝土梁—柱节点极限承载能力伴随着节点柱构件处型钢腹板高度的减小而减弱，在型钢混凝土梁—柱节点中，当柱构件的型钢翼缘以及腹板几何尺寸在柱截面几何尺寸中占据较大比例时，节点极限承载能力伴随着型钢翼缘宽度的增大而增强。同时，节点构件破坏均由关键区域达到极限状态引发。

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