方钢管混凝土柱—钢梁节点的性能研究

许 剑

(浙江省电力建设有限公司，浙江 宁波 315000)



方钢管混凝土柱—钢梁节点的性能研究

许 剑

(浙江省电力建设有限公司，浙江 宁波 315000)

采用ANSYS有限元程序，建立了方钢管混凝土柱—钢梁螺栓型端板节点的非线性有限元模型，将其结果与文献的理论公式计算结果进行比较，结果与理论公式吻合，论证了有限元模拟的有效性，并通过几组不同的非线性模型，探讨了各类组件对节点力学性能的影响。

钢管混凝土柱，螺栓，端板，节点，有限元模型

0 引言

钢管混凝土柱与钢梁形成的结构体系，充分发挥了钢管和混凝土各自的优点，具有承载力高、塑性好、施工周期短等优点。近年来，钢管混凝土柱与钢梁组合体系在工程实践中不断推广，取得了良好的经济效益。钢管混凝土柱—型钢梁连接的节点是设计的关键部位，其力学性能直接影响着结构的性能。本文采用有限元分析程序对螺栓型端板连接节点进行了非线性分析，将计算结果与理论公式进行了比较，验证了采用ANSYS分析程序来模拟试验研究的可行性。

1 有限元分析模型

1.1 几何模型描述

几何模型的材料和尺寸选用与文献[1]的试验试件(base)相同，试件梁截面尺寸为H300×150×6.5×9，方钢管柱的截面尺寸为250×250×8，钢材采用 Q235-B，泊松比为0.3，螺栓采用摩擦型高强螺栓(10.9级)，节点构造详图见图1。钢管内混凝土等级为C40。

1.2 几何模型分析

1)钢材本构关系选用非线性随动强化模型[2]。混凝土采用William-Warnke五参数破坏准则。

2)柱底采用固支，柱顶施加两向约束，结构对称面采用对称

约束。

2 分析结果与讨论

数值模拟与理论公式的比较。为验证非线性有限元模型的正确性，将数值模拟和文献[1]的模型base进行比较。

两个模型节点弯矩—转角(M—θ)曲线结果对比如表1所示。

表1 数值分析与有限元计算结果对比

从表1看出，ANSYS计算所得试件的极限抗弯承载力比数值分析值略小，可能是由于混凝土采用Solid65单元，当混凝土出现裂缝以后，ANSYS非线性计算收敛困难，导致在没有达到理论计算值以前ANSYS退出工作。

根据计算可知，数值模拟和理论公式计算结果相近，可用于螺栓型端板连接节点在单向荷载作用下的性能分析。

3 参数变化对节点力学性能的影响

本文以base试件为基础，分析了端板加劲肋、轴压比、梁截面、混凝土强度等级及端板厚度等参数变化对节点性能的影响。

3.1 加劲肋对节点性能的影响

在其他参数不变的情况下，螺栓端板连接节点采用无端板加劲肋(SH1)和有端板加劲肋(base)两种情况。SH系列试件的计算结果见表2。

表2 SH系列试件的计算结果

从有限元的计算结果可知，SH1试件的承载力和初始刚度分别较base试件下降了9.1%和19.8%，说明设置加劲肋能有效地提高节点的承载力和初始刚度。由于端板的刚度对高强螺栓的预拉力损失影响较大，端板的变形会形成杠杆作用，产生撬力，而撬力对螺栓是不利的，端板的刚度越小，变形越大，base试件由于设置了加劲肋，增强了端板的刚度，显著地提高了节点的承载力和初始刚度。

3.2 混凝土强度对节点性能的影响

在节点部位其他参数不变的情况下，将混凝土强度分为：无(SQ1),C30(SQ2),C40(base)和C50(SQ3)四种情况。

SQ系列试件的M—θ曲线如图2所示，SQ系列试件的计算结果如表3所示。

表3 SQ系列试件的计算结果

试件编号Rki/×104kN·m·rad-1Mu/kN·mθu/radSQ10.956145.570.035SQ21.211166.880.057base1.288167.630.058SQ31.319169.240.059

从有限元的计算结果可知，SQ1，SQ2试件与base试件相比，

其承载力和初始刚度变化很小，而SQ1试件较base试件的承载力和初始刚度分别下降了13.2%和25.7%，说明仅改变混凝土的强度等级对节点的承载力和初始刚度无明显的影响，但SQ1与base计算的结果比较可知，钢管内有无混凝土对节点承载力和初始刚度影响较大，在钢管中填充混凝土可以显著提高节点的承载力和初始刚度。

3.3 端板厚度对节点性能的影响

在其他参数不变的情况下，端板厚度取：16 mm(SD1),20 mm(base),22 mm(SD2)和24 mm(SD3)。SD系列试件的计算结果见表4。

表4 SD系列试件的计算结果

从有限元的计算结果可知，SD1的M—θ曲线较其他节点更早地进入了非线性阶段，主要原因是端板较薄时刚度小，很小的荷载就产生较大的变形。SD1试件的承载力和初始刚度较base试件分别减小了10.2%和10.1%；SD2的承载力较base增大了6.1%，初始刚度增加了5.2%；SD3的承载力较SD2增大了2.4%，初始刚度增大 0.1%。可以看出端板厚度对于节点性能的影响有两种：当端板厚度不能满足承载力的要求时，节点会过早屈服而破坏，此时增大端板厚度能显著提高节点的承载力和初始刚度；当端板厚度满足承载力要求时，对节点初始刚度的提高几乎已无影响，而节点承载力依然会随端板厚度的增大而略有增大。

4 结语

本文通过数值模拟与理论公式比较，验证了有限元分析方法可以用于螺栓端板连接在梁端竖向荷载作用下的力学性能分析。采用有限元系统地分析了端板有无加劲肋、柱轴压比、钢梁截面厚度及混凝土强度等级等参数变化对节点力学性能的影响。有限元分析结果表明：

1)端板加劲肋对节点的性能影响比较大，设置端板竖向加劲肋能显著提高节点的初始刚度和承载力，建议在实际工程中要设置加劲肋。

2)增加端板厚度有利于提高节点的承载力和初始刚度，而且可以起到延续端板屈服的作用。

3)混凝土的强度等级对节点的承载力和初始刚度无明显的影响。

[1] 王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京：人民交通出版社，2007.

[2] 葛继平，宗周红，杨强跃.方钢管混凝土柱与钢梁半刚性连接节点的恢复力本构模型[J].地震工程与工程振动,2005,25(6):81-87.

On performance of concrete-filled square steel tubular column-steel beam

Xu Jian

(ZhejiangPowerConstructionCo.,Ltd,Ningbo315000,China)

The paper adopts the ANSYS finite element program, establishes the linear finite element model for the concrete-filled square steel tubular column-steel beam bolt endplate node, compares its results with the calculation result of the literature’s theoretic formula, indicates the consistency of the results and theories, indicates the effectiveness of the finite element simulation, and explores the influence of the components on the node dynamic performance according to different non-linear models.

steel pipe concrete column, bolt, endplate, node, finite element model

1009-6825(2016)10-0036-02

2016-01-31

许 剑(1987- )，男，工程师

TU375.3

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