方管混凝土柱和矩形钢管混凝土柱节点的应力分析

吴维坤 （安徽富煌建筑设计研究有限公司，安徽 合肥 230088）

1 引言

近几年装配式钢结构以其安全性、经济性、环保性等优点被大力推广，其建设过程相较传统的混凝土建筑缩短了工期，提升了抗震性能，降低了基础造价，减少了环境污染。

装配式钢结构设计的重要环节之一是梁柱节点的设计，在两个方向梁的尺寸相近时，钢管混凝土柱的节点设计力求柱的长宽比接近，一是为了避免强轴方向节点承载力过大，造成不必要的浪费，二是防止弱轴方向梁柱连接处局部拉压应力过大，钢材提前屈服。

然而经常由于场地、建筑布局和施工工艺的要求，柱身截面不得不设计成扁平的形式。扁平柱节点的设计难点在于垂直柱身方向分强轴、弱轴两个方向，强轴方向梁的承载能力一般可以达到设计要求；弱轴方向梁若连接于柱中区，则柱身易局部起拱和压陷，若齐柱边，两根梁的距离过近，则柱的角部载荷过大，容易首先达到屈服强度，从而被撕裂或者压坏。

了解方管混凝土柱和矩形钢管混凝土柱的梁柱节点在应力分布和塑性特征上的差异对于明确设计理念，针对性地改造关键区域具有积极的意义。

2 方管混凝土柱和矩形钢管混凝土柱节点的计算模型

本文通过数值模拟分析方管混凝土柱节点和矩形钢管混凝土柱节点的应力分布形式、大小和屈服扩展的差异，为便于叙述，把方管混凝土柱的梁柱节点称为节点1，矩形钢管混凝土柱的梁柱节点称为节点2。

图1 节点1、节点2的结构形式

图1a柱尺寸为350×350×14，梁尺寸为400×200×8×13，图1b中柱尺寸为600×200×8×13，梁尺寸同图1（a）。模型的梁长均取2m，柱高取3m。

运用有限元软件ANSYS进行节点的设计和分析，用实体单元solid65模拟混凝土，用实体单元20node186模拟钢材，均采用弹塑性本构TB模型，其中混凝土采用多线性随动强化模型，钢材双线性随动强化模型，智能划分网格，精度为6。

图2 节点1、节点2的网格划分

节点1、2模型的荷载，边界相同，具体如下。

荷载：①每根梁端加20kN集中力，方向向下；

②柱顶部加共3500kN面荷载；

③自重。

边界：柱底铰接，柱顶不限制竖向位移，梁端自由。

3 方管混凝土柱和矩形钢管混凝土柱节点的应力分析

经过计算，两个节点的最大主应力云图如图3所示。

图3 节点1、2的最大主应力云图

从图3可以看出，两个节点均在梁柱连接处的应力最大，其中节点1由于对称性，应力分布更加均匀饱满，柱身应力不大；节点2的应力分布不规则，较大的应力集中在弱轴根部，此部分柱身局部拉应力较大，存在起拱的趋势。另一方面，节点2弱轴根部应力大于节点1相应位置，但强轴根部应力小于前者，设计中将以弱轴方向为控制方向，则强轴方向材料达不到充分利用，不经济。

将节点2弱轴梁上翼缘与柱连接处、强轴梁上翼缘与柱连接处、弱轴连接点上部和强轴连接点上部的一定范围分别命名为1处、2处、3处和4处，节点1相应位置的命名同节点2。

提取两个节点1、2、3、4处的平均应力如上表所示。

图4 节点2关键点

节点1、2关键点处的应力

图5 节点1、2各关键点处的应力比较

将上表数据绘图如下。

表1和图5可以看到，节点2的1处应力增幅较大，达到了29.3%，3处应力更是呈5倍增长，这代表弱轴翼缘根部由于缺乏侧向支撑容易首先屈服，同时该处上部分临近柱身受翼缘影响较大，应力提前达到屈服强度，将早于方钢管相应位置产生明显变形，对稳定不利。

此外，节点2的2、4处应力均比节点1相应位置小，分别占后者的69%和83.7%，表明强轴翼缘根部和该点上部临近柱身以牺牲弱轴承载能力为代价，将屈服时间滞后，但这种交换非结构设计初衷，因为控制应力仍然是前者。

比较同一节点各关键点的应力可以发现，节点1临近翼缘根部的柱身应力为4.3MPa，仅占根部的23.4%，柱身应力富余较足，方管混凝土梁柱节点破坏的关注重点应是翼缘根部位置。节点2的3处反而比1处应力大，表明矩形钢管混凝土梁柱节点的弱轴临近翼缘根部的柱身位置需格外注重强度和稳定性的设计，因为该位置可能先于根部产生较大变形。

将每个梁端集中力加至160kN，使节点大面积进入屈服区，得到的应力云图如图6。

图6 进入屈服阶段的节点应力云图

观察图6可以发现，节点1的应力线比较对称，上翼缘根部边缘首先大面积屈服，而后连接发展至柱的角部，大部分柱身仍能维持工作。节点2的应力线呈现奇异性，强轴上翼缘根部的屈服延伸不如节点1，但弱轴根部上翼缘屈服已连成整体，同时蔓延至半圆形的柱身区域，柱身外角部位也已经屈服。此外值得注意的是，节点2梁柱连接位置的塑性发展是在弱轴上翼缘、强轴上翼缘和强轴下翼缘根部应力达到屈服点的共同作用下完成的，与节点1不同的是提前连通了上下翼缘屈服点，因此塑性发展更快，范围更广。

4 结语

①矩形钢管混凝土梁柱节点的弱轴连接处应力较大，随着载荷量的增加，将提前进入屈服阶段，方管混凝土梁柱节点应力分布则较为均匀；

②方管混凝土梁柱节点的临近根部的柱身应力不大，不必重点关注，矩形钢管混凝土梁柱节点的弱轴临近翼缘根部的柱身位置需格外注重强度和稳定性的设计，因为该位置应力很大，可能先于根部产生较大变形；

③方管混凝土梁柱节点的屈服是从上翼缘根部延伸至柱的角部，矩形钢管混凝土梁柱节点塑性发展到一定阶段后，屈服区域由弱轴上翼缘、强轴上翼缘和强轴下翼缘根部共同连成，塑性发展更快，范围更广。