梁腹板开孔钢框架组合节点应力应变分析

摘 要：我国经济的发展带来了钢结构建筑的广泛应用。现代高层建筑钢结构通常组合节点方式。在外力作用下，钢框架结构与混凝土楼板的共同工作使得整个结构的力学性能变得很复杂。节点是建筑结构中的重要连接部位，但是刚性节点在地震中很容易出现脆性破坏，对结构安全很不利。为体现“强节点弱构件”的抗震思想，在腹板上开孔的设计思路由此孕育而生。同时，腹板开孔具有便于管线及设备的通过、降低层高、节约空间及降低成本等优势，因此，对腹板开孔钢框架组合节点的研究就具有很大的实际意义。

本文主要研究腹板开孔组合节点在对称竖向荷载作用下的静力工作性能，利用ANSYS有限元软件建模，分析了腹板开孔组合节点在不同位移荷载作用下的应力、应变分布规律，揭示了腹板开孔组合节点塑性铰外移的微观原因。

关键词：组合节点；静力性能；应力应变；塑性铰

中图分类号：C35文献标识码： A

引言

我国所有高层、超高层建筑中，钢-混凝土混合结构占的比重较大，普通钢结构建筑的受力性能分析和设计方法已比较成熟，我国已基本掌握了高层钢结构建筑建设的成套技术，较好的解决了高层建筑钢结构的产业化问题，为钢结构在建筑领域更大发展创造了条件 。但是，对钢-混凝土组合结构，比如梁柱组合节点开孔方面的研究与国外相比还很不足，处于进一步开发和完善阶段，还有很多领域方向有待研究。本文重点分析了腹板开方孔型组合节点方孔周围截面上的应力及应变是如何进行重分布，研究了其应力应变分布规律，由此揭示了考虑组合效应的腹板开孔组合节点在竖向静力位移荷载下的塑性铰外移的微观原因。

一、组合节点的有限元建模

本文通过ANSYS计算软件建立了腹板开孔组合节点的三维实体有限元模型，组合节点的钢梁和钢柱采用全焊连接，钢筋混凝土楼板与钢梁采用栓钉连接，表面采用接触单元；钢梁、钢柱、销钉等钢构件采用SOLID45单元，钢材的本构关系采用双线性随动强化（BKIN）模型，弹性模量E=206000，泊松比取0.3，钢材达到屈服强度fy后，考虑了材料0.005E的应力强化；混凝土楼板采用SOLID65单元，其本构关系采用的是多线性等向强化（MISO）模型，并设定了混凝土受拉开裂后退出工作。除腹板开孔处附近钢板采用自由网络划分外，其它部分均采用人为控制网格划分（见图2-1），钢柱底部施加x，y，z三向约束，柱顶为x，z向约束，在对称平面（X-Y，Y-Z平面）给各组件施加的是对称约束（见图2-2）。为便于收敛，本文在梁端施加的是位移荷载。

图2-2 腹板开孔组合节点模型约束

Fig.2-2 Restraints of composite joints with web openings

“标准试件”各构件几何尺寸及材料特征如表2-1所示。

表2-1 “标准组合节点”特性参数

Table 2-1Parameters of the"Standard Composite Joints"

楼板 厚度 120mm 钢柱 型号 HW250X250

配筋率 0.0086 翼缘厚度 14mm

钢筋屈服强度 235N/mm2 翼缘宽度 250mm

混凝土型号 C25 腹板厚度 9mm

混凝土抗拉强度 1.78N/mm2 截面高度 250mm

混凝土抗压强度 16.7N/mm2 钢材屈服强度 345N/mm2

钢梁 型号 HM300x150 钢材弹性模量 206000N/mm2

翼缘厚度 9mm 加劲肋 有

翼缘宽度 150mm

腹板厚度 6.5mm

截面高度 300mm

钢材屈服强度 345N/mm2

注：混凝土楼板宽度为1m,钢梁及楼板悬挑长度为1.95m.

为了研究刚性节点在塑性阶段的力学性能，应该使刚性节点完全进入塑性阶段，即节点的梁端应该产生足够的竖向位移。结合本文的节点尺寸计算，应该在组合节点的梁端施加58.5mm的竖向位移，计算时，本文在节点梁端施加的竖向位移为60mm。从后面有限元分析结果可看出，当位移达到60mm时，组合节点均已进入塑性状态，能较好反映组合节点的力学性能。钢梁腹板上开孔一方面要保证构件承载力下降不能过大，另一方面使塑性铰出现的位置远离节点区。塑性铰是以塑性等效应变（即Mises应变）最大的截面来定义的。

二 腹板开孔组合节点的应力分析

给组合节点梁端施加竖向位移荷载时，在梁腹板上开孔可以使组合节点梁柱交接处的应力降低，但却会令开孔处的应力增加，尤其是矩形孔的四个角部更容易产生应力集中。在一定开孔率情况下，腹板开孔组合节点的塑性应变往往在方孔角部率先形成，然后向下翼缘及孔口边缘角部附近发展，最后，随着塑性区的不断发展在孔附近的下翼缘区域形成塑性铰。

为更深入了解腹板开孔在位移作用下对组合节点产生的塑性变形情况，本节从微观角度对组合节点进行应力分析，组合节点模型中腹板开孔形式选取50%开孔率、宽高比为1、孔中心距离钢柱翼缘距离300mm的矩形孔。图4-10为该节点的P-△曲线图。

图4-10腹板开方孔组合节点的荷载-位移曲线

Fig.4-10 P-△ curve of the composite joints with web square opening

从图中可看出，梁端位移△大概在15mm内时钢梁处于弹性工作状态，而超过15mm后节点开始进入塑性状态。本节分析钢梁截面应力分布时，弹性阶段选取△为10mm，塑性阶段分别取20mm（刚进入塑性状态不久）和60mm（充分进入塑性）。

通过计算分析，得出结果如下：

（一）翼缘部分应力应变分析

在梁端位移为10mm、20mm、60mm时，非开孔处钢梁上下翼缘剪应力整个钢梁上翼缘剪应力都很小，中部的剪应力最大，剪应力总体呈现梁边较小二中部增大的趋势，沿梁宽中部对称分布；处于钢梁腹板开孔处正上方的上翼缘，随着梁端位移的逐渐加大，梁翼缘两侧边剪应力很小，但在翼缘中部（即靠近腹板位置），翼缘的剪应力大大增加；梁腹板开孔处下翼缘，当梁端位移值在10mm和20mm时，翼缘两侧剪应力很小，翼缘中部剪应力达到近20Mpa，当梁端位移达到60mm时，翼缘边部剪应力绝对值近40Mpa，翼缘中部剪应力很小，甚至小于位移在10mm 和20mm的状态，原因是随着钢梁下翼缘逐渐进入塑性状态，下翼缘中部所受的应力最大，率先进入塑性状态，因而其承载力下降也最快。当梁端位移达到60mm时，其基本已失去承载力，但翼缘两端还没完全进入，因而下翼缘两边也就承担更大的剪应力了。

随着梁端位移的增大，翼缘的Mises应力也相应的增大；在相同位移下，应力变化最大的就是靠近翼缘中间。但是梁上翼缘出现了当梁端位移在60mm时的应力值小于位移在20mm的现象，根据分析，当梁端位移在20mm时钢梁还没产生塑性铰，但当梁端位移达到60mm时，塑性铰已产生，因此降低了梁柱交接处的应力，在距柱边约200mm处应力值非常大，在200mm至380mm，应力大幅下降，在380至450mm，应力又大幅增加，其中位移值越大，其增减幅度就越大，整体趋势是距离钢柱边越远，应力就越小。通过对比发现，在位移值△较小情况下，各路径应力值都较小，但是当位移值逐渐增大，个路径应力值都在加大，下翼缘的应力大于上翼缘。

随着梁端位移的增加，塑性应变也在相应增加，钢梁上翼缘在梁端位移为10mm和20mm时应变都非常小，接近于0，而当梁端位移达到60mm时，塑性应变大大增加，塑性应变总体呈现梁边部小而梁中部较大的趋势。但在开孔中部正上方的翼缘却出现了两端应变较大，而中部应变很小的情况；钢梁下翼缘当梁端位移加到20mm时，应变已开始出现，随着位移的增加，塑性应变也越来越大，其应变增加比上翼缘要明显的多；在梁端位移增大到60mm时，沿梁长方向各截面的应变显著加大，尤其在矩形开孔左下角翼缘位置应变最大；梁上翼缘距柱边大概180mm时应变最大，梁下翼缘距柱边大概250mm时应变最大，此处即为塑性铰产生的位置，组合节点的塑性铰位置吻合。

（二）腹板部分应力应变分析

上下翼缘处剪应力都较小，越接近腹板中间剪应力就越大，靠近开孔左上角附近剪应力较大；靠近孔洞处腹板剪应力较小，靠近翼缘附近剪应力较大，且开孔上部分腹板的剪应力比下端大；越靠近开孔的角部，其腹板剪应力值就越大。各路径都有一个共性，梁端位移越大，剪应力的绝对值就越大。随着梁端位移逐渐增大，开孔处上、下腹板剪应力及开孔左侧上、下角的剪应力都大大增加，腹板的整体破坏很容易在这些部位率先形成，从而引起塑性铰的产生。

在梁端位移为20mm和60mm时，腹板中部的应变很小，腹板上下沿的应变较大，其中下沿的应变最大。在梁端位移较小情况下，应变不是很明显，但当位移增大到60mm时，应变增幅较大，可以得出应变随着梁端位移的增加而加大。在梁端位移较小情况下，开孔处腹板应变较小，未开孔处的应变更大。随着梁端位移进一步加大，组合节点梁慢慢进入塑性变形，此时开孔处的应变增速较快，当位移达到60mm时，开孔处的下腹板应变最大。

（三）混凝土楼板部分应力分析

混凝土楼板在梁端位移为10mm、20mm时的应力及应变分布规律不是很明显，但在60mm时应力向柱方向集中。总体而言，楼板中间部分的应力大于板梁边的应力，靠近节点处的应力要大于远离节点处的应力。

三 结语

通过细致分析组合节点在梁端竖向位移荷载作用下的塑性发展情况，研究其应力、应变分布规律，揭示了腹板开孔组合节点塑性铰外移的微观原因，结论如下：在梁端竖向位移荷载下，翼缘剪应力最大的部位出现在方孔处，正应力和应变最大部位出现在开孔左下角处，其次是与钢柱交接的钢梁下翼缘。下翼缘的应力和应变要大于上翼缘，翼缘中间应力值大于翼缘两边。这也是组合节点钢梁处塑性铰出现的原因，其出现位置与应力应变相对应。钢梁腹板承受的剪应力比翼缘大很多，开孔处及开孔角部附近的腹板的剪应力较大。混凝土板的应力随着梁端位移的增加也相应增大，但应力分布不是很均匀，总体上应力分布呈现板中间部分的应力大于板两边的应力，靠近节点处的应力要大于远离节点处的应力。

参考文献

1曹海金. 梁腹板开孔钢框架组合节点静力性能研究[D]. 哈尔滨工业大学硕士学位论文, 2011.

2杨娜, 郭婷. 梁腹板开圆孔节点的组合效应影响研究[J]. 华中科技大学学报（城市科学版）, 2008, 25(3）: 69-73.

3奥晓磊. 中高强度钢框架梁柱组合节点抗震性能研究[D]. 清华大学硕士论文学位论文, 2008.

4刘洪波, 邵永松, 谢礼立等. 钢框架结构楼板有效宽度及对节点性能影响[J]. 哈尔滨工业大学学报, 2008, 40(10): 1532-1536.

5谌伟. 考虑组合效应的腹板开圆孔型节点的抗震性能研究[D]. 北京交通大学硕士论文学位论文, 2009.

6石永久, 王萌, 王元清等. 钢框架梁柱组合节点滞回性能有限元分析[J]. 土 木建筑与环境工程, 2010, 32(3）: 1-7.