狗骨式型钢高强混凝土节点有限元分析

石丽辉

（西京学院 土木工程学院，陕西 西安 710123）

狗骨式型钢高强混凝土节点有限元分析

石丽辉

（西京学院 土木工程学院，陕西 西安 710123）

就“狗骨式”在型钢高强混凝土强节点中的性能进行了分析研究，并就这种节点构造措施如何在型钢混凝土结构中充分发挥其性能进行了分析。

翼缘削弱；受力性能；有限元分析；框架节点

1、前言

由于高强混凝土存在的优良性能，使得其在工程中将得的应用到广泛，然而伴随着混凝土强度的提高，其脆性增大，抗震性能变差，这势必对高强混凝土在抗震工程中的应用有较大的影响[1]。如何使高强混凝土的优良性能在抗震地区得到充分发挥，又能克服高强混凝土延性差且不利抗震的缺陷，是人们一直所关心的问题。

高强混凝土与型钢混凝土结构的组合为高强混凝土在抗震工程中的应用提供了一个很好的解决途径。型钢混凝土结构指的是通过在混凝土中配置轧制或焊接型钢，同时配有构造钢筋及少量受力钢筋而形成的一种介于钢结构和钢筋混凝土结构之间的新型结构形式[2]。这种组合有机结合了新材料和新结构的特性，通过型钢与高强混凝土的相互组合，显著改善高强混凝土的脆性和构件的延性，从而满足抗震要求。同时对型钢而言，采用高强混凝土可使型钢的作用得到充分发挥[1]。

对于型钢混凝土梁而言，尽管配有纵筋和箍筋，但是节点处的弯矩和剪力主要是由型钢部分来承担的，因此可以借鉴钢结构中的“狗骨式”节点构造方式，即通过对梁型钢翼缘进行削弱，在大震下使塑性铰首先出现在削弱处，避免节点过早发生塑性变形，来提高型钢混凝土节点的抗震性能，实现框架结构“强节点弱构件”的设计原则。

2、有限元分析

通过参考湖南大学型钢高强混凝土边节点试件[3]运用 ANSYS软件建立“弱节点型”节点模型进行模拟分析，发现当节点为弱节点时，在加载至极限状态时节点核心区型钢腹板均已经屈服，并进入了塑性流动阶段，梁型钢受拉翼缘一定范围内均达到了屈服强度；进行了梁翼缘削弱的模型塑性在削弱处发展的比较快，削弱处型钢迅速达到屈服强度并形成塑性铰，在一定程度上避免了梁根部形成了塑性铰，但是节点仍旧是先于梁屈服的，可见在弱节点中对梁进行狗骨式削弱并不能保护节点不破坏，具体分析过程见我的另一篇论文。

通过计算得知，若将混凝土强度提高到 70N/mm2时，理论上型钢高强混凝土节点会从“弱节点”变为“强节点”，强节点将会发生的是梁型钢屈服的弯曲破坏。为了验证上述理论的正确性，在模拟分析“弱节点型”节点模型 HSRC-A1、HSRC-B1的基础上提高混凝土强度到70N/mm2，建立有限元模型HSRC-A1-70、HSRC-B1-70，其余条件同前。

对模型 HSRC-A1-70、HSRC-B1-70进行模拟分析，屈服阶段型钢应力图见图1，极限阶段型钢应力图见图2。

图1 屈服阶段HSRC-A1-70、HSRC-B1-70型钢应力图

从图 1可以看出，模型 HSRC-A1-70梁端型钢受拉翼缘首先达到屈服，而HSRC-B1-70削弱处型钢受拉翼缘先于梁端达到到屈服，如图模型梁型钢翼缘先于节点核心区型钢腹板屈服，可见节点发生的是梁型钢屈服的弯曲破坏，这与前面的理论分析是相符的。

图2 极限阶段HSRC-A1-70、HSRC-B1-70型钢应力图

如图2所示，极限状态时模型HSRC-A1-70和HSRC-B1-70梁端型钢和削弱处型钢应力均超过了屈服强度，进入了塑性流动阶段。模型HSRC-A1-70节点核心区型钢腹板屈服，而HSRC-B1-70型钢腹板直到破坏尚未屈服，这是因为在模型HSRC-B1-70中塑性铰首先出现在梁型钢翼缘削弱处，从而使得狗骨式削弱这种节点构造措施的性能得到了发挥，即削弱处塑性铰的非线性变形对核心区混凝土的侵害及塑性铰在节点核心区产生的水平剪力降低了，节点核心区的抗剪能力得到了提高，从而避免了节点发生剪切破坏。可见，狗骨式削弱梁型钢翼缘确实可以起到保护节点核心区，从而避免其发生剪切破坏的作用。

3、结论

由以上分析可知，只有塑性铰首先出现在梁型钢翼缘削弱处，即在保证节点核心区混凝土和型钢在受力过程中不首先发生失效性破坏的前提下，狗骨式削弱才能充分发挥其保护节点的作用，也就是说“强节点”是狗骨式这种节点构造措施的性能得以充分发挥的首要条件。由此可见，节点核心区的强弱不仅关系到型钢高强混凝土框架边节点的承载力，同时更直接影响着狗骨式削弱这种节点构造措施性能的充分发挥，这与模型HSRC-A1-70、HSRC-B1-70的分析结果相吻合。

可见在实际工程中采用“狗骨式”削弱这种节点构造措施，塑性铰出现在削弱处，可避免节点核心区混凝土出现裂缝。同时塑性铰出现在梁削弱处，可有效控制结构按梁端破坏机制破坏，整体结构的延性和耗能能力得到提高，大震时结构更安全。

[1]物理力学专题组高强混凝土的物理物理力学性能[C]．钢筋混凝土研究报告论文集，1991张正国组合结构．河南科学技术出版社，1985，5．

[2]中华人民共和国行业标准．型钢混凝土组合结构技术规程（JGB138-2001）[M]．中国建筑工业出版社，2002．

[3]黄英省．型钢高强混凝土框架边节点抗震性能的试验研究[D]．湖南大学硕士论文，2009．

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1007-6344（2015）09-0338-01