許鳳美，徐夢琴，許成祥，盧海林

(長江大學城市建設學院，湖北 荊州 434023)

外加強環(huán)式圓鋼管混凝土柱-鋼梁框架節(jié)點有限元分析

許鳳美，徐夢琴，許成祥，盧海林

(長江大學城市建設學院，湖北 荊州 434023)

在選擇合理的材料本構(gòu)關(guān)系和破壞準則的基礎上，建立外加強環(huán)式鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點三維非線性有限元計算模型，分析柱梁抗彎強度比及核心區(qū)混凝土對節(jié)點受力性能的影響。結(jié)果表明，鋼管混凝土節(jié)點柱梁抗彎強度比應加以限制，核心混凝土大大提高了節(jié)點的承載能力，節(jié)點傳力模式符合斜壓桿機理。

鋼管混凝土；框架節(jié)點；節(jié)點柱梁抗彎強度比；有限元分析

鋼管混凝土柱框架節(jié)點是連接框架梁柱的關(guān)鍵部位，在框架中起著傳遞內(nèi)力、分配內(nèi)力和保證結(jié)構(gòu)整體性的作用。鋼管框架結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點的受力性能對結(jié)構(gòu)整體性能以及結(jié)構(gòu)的安全性有著非常重要的影響。

由于框架節(jié)點受力性能的復雜性和試驗研究的局限性，依靠試驗研究還有許多不足，通過數(shù)值分析的方法研究其受力性能是一種有效的途徑。筆者建立一個適用于節(jié)點區(qū)外加強環(huán)式鋼管混凝土柱-鋼梁框架節(jié)點試件的三維有限元分析模型，討論柱梁抗彎強度比及核心區(qū)混凝土對外加強環(huán)式節(jié)點受力性能的影響。該模型能描述結(jié)構(gòu)材料和幾何非線性特征，并且用于數(shù)值分析時穩(wěn)定且有效。

1 有限元模型的建立

表1 模型尺寸及混凝土強度等級

根據(jù)《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設計與施工規(guī)程》[1]的要求，對外加強環(huán)式節(jié)點進行了設計與計算。為了研究柱梁抗彎強度比及核心混凝土對節(jié)點受力性能的影響，建立了3個節(jié)點模型，分別為J1，J2，J3，模型尺寸及混凝土強度等級見表1。梁長每邊各取1.05m，柱上下各取1.30m，加強環(huán)寬度取50mm?；炷翉姸鹊燃夁x用C40，其彈性模量為3.25×104N/mm2,泊松比為0.2；鋼材選用Q235，其彈性模量為2.06×105N/mm2,泊松比為0.3,屈服強度為235.0N/mm2。

對節(jié)點有限元模型中的鋼管選用SOLID45單元[2]，此單元由8個節(jié)點組成，在每個節(jié)點上有3個自由度，分別沿著3個坐標軸方向。鋼梁及外加強環(huán)選用SHELL181單元，由于該單元節(jié)點具有X、Y、Z位移方向及X、Y、Z旋轉(zhuǎn)方向的6個自由度，和鋼管單元節(jié)點自由度的性質(zhì)不同，這樣在它們的連接處會出現(xiàn)“約束不足”的現(xiàn)象，因此，在殼和實體單元的連接處需要耦合自由度。鋼材均采用兩折線模型(如圖1)，彈性階段斜率為Es，屈服后塑性階段斜率取0.11Es[2]。混凝土的模擬采用ANSYS內(nèi)部專門針對混凝土材料的三維實體單元SOLID65?；炷恋谋緲?gòu)關(guān)系采用多線性等向(MISO)模型，其中各點的坐標按照文獻[2]提出的核心混凝土應力-應變關(guān)系模型，其本構(gòu)關(guān)系如圖2所示。該模型以約束效應系數(shù)ξ作為衡量鋼管和混凝土相互作用的基本參數(shù)，筆者所建立的J1和J2兩個節(jié)點模型的約束效應系數(shù)ξ分別為1.04和1.54。

在采用ANSYS進行非線性分析的過程中，同時考慮材料非線性和大位移大應變的幾何非線性，迭代方法采用完全的Newton-Raphson法[2]，收斂方式采用力的二范數(shù)進行判斷[2]。節(jié)點網(wǎng)格劃分模型如圖3所示。

圖1 鋼材應力-應變關(guān)系圖2 混凝土應力-應變關(guān)系

圖3 節(jié)點網(wǎng)格劃分模型

2 荷載和邊界條件

采用約束柱上下兩端面上節(jié)點的X-Y-Z3向位移的方法模擬柱上、下面的鉸接，先在柱頂按軸壓比0.4(n=N/Ascfsc)施加軸向力[3]，為避免應力集中，將集中力等效為面荷載施加。然后在節(jié)點2側(cè)梁端施加反對稱荷載，采用位移控制的方式進行加載。

3 結(jié)果分析

3.1柱梁抗彎剛度比對節(jié)點性能的影響

普通鋼筋混凝土框架節(jié)點的破壞形式[4]可歸納為以下4種：①梁端受彎破壞；②柱端壓彎破壞；③錨固破環(huán)；④核心區(qū)剪切破環(huán)。上述4種破壞形式，第1種屬延性破環(huán)，其余3種均屬脆性破環(huán)，應設法予以避免。同樣，在進行鋼管混凝土框架節(jié)點的設計時，遵循“強柱弱梁”原則。為了確定柱梁抗彎強度比對節(jié)點破壞形態(tài)的影響，計算時選用J1和J2兩種節(jié)點模型進行對比分析。

圖4 節(jié)點網(wǎng)格劃分模型

1)環(huán)板應力 節(jié)點鋼梁上翼緣屈服時，環(huán)板的VON MISES應力如圖4所示[5]。由圖4可知，J1節(jié)點的塑性鉸出現(xiàn)在鋼梁端部翼緣，并逐漸向遠離節(jié)點的方向擴展。J2節(jié)點的塑性鉸首先出現(xiàn)在梁與環(huán)板交接的轉(zhuǎn)角處，且有向節(jié)點核心區(qū)發(fā)展的趨勢。

2)節(jié)點破壞形態(tài) 極限承載力狀態(tài)時，將節(jié)點核心區(qū)鋼管截面MISES應力映射到其環(huán)向路徑(以節(jié)點右側(cè)鋼管與連接腹板連接處為起點)上，如圖5和圖6所示。

圖5 J1鋼管應力分布 圖6 J2鋼管應力分布

由圖中曲線可以看出，節(jié)點核心區(qū)鋼管距腹板的1/4圓周處為應力最大點，即最危險點。另外，對于柱梁設計抗彎強度比為1.3的模型J2，在極限承載力作用下，節(jié)點區(qū)的部分柱面也已經(jīng)達到塑性。因此，對于鋼管混凝土節(jié)點的設計，應考慮適當提高對柱梁抗彎強度比的要求。為了實現(xiàn)“強柱弱梁”，柱梁抗彎強度比應加以限制。Azizinamini和Schneier[5]曾對鋼管混凝-鋼梁節(jié)點的設計提出了設計建議，對于全貫通焊接節(jié)點約為1.5；對于角焊縫節(jié)點，約為2.0。

3.2核心區(qū)混凝土對節(jié)點性能的影響

筆者對空鋼管節(jié)點模型J3和同尺寸鋼管混凝土節(jié)點模型J1進行了計算，J3節(jié)點核心區(qū)鋼管截面MISES應力沿環(huán)向路徑的映射曲線如圖7所示。

1)鋼管應力 由圖7可以看出，J3核心區(qū)鋼管壁內(nèi)外壁均達到屈服狀態(tài)，且應力相差不大。由圖5可以看出，J1節(jié)點核心區(qū)鋼管內(nèi)外壁都未達屈服狀態(tài)，內(nèi)壁應力明顯小于外壁。說明鋼管混凝土節(jié)點所受的內(nèi)力通過鋼管壁與核心混凝土間的交界面，已經(jīng)部分或大部分的傳給了核心混凝土，使得鋼管表面應力減小。此外，核心區(qū)混凝土在徑向支撐著節(jié)點處的鋼管壁，增大了節(jié)點的剛度，從而大大提高了鋼管混凝土節(jié)點的承載力。

2)核心區(qū)混凝土最大主應力 核心區(qū)混凝土主應力矢量分布如圖8所示。從圖8可以看出，核心區(qū)混凝土最大主應力基本沿對角線方向，說明節(jié)點傳力模式符合斜壓桿機理。Elremaily A等[5]給出了按照斜壓桿機理推出的核心區(qū)混凝土抗剪強度計算公式：

(1)

式中，fc為混凝土抗壓強度；dc為鋼管直徑。

圖7 J3鋼管應力分布 圖8 核心區(qū)混凝土主應力矢量分布圖

4 結(jié) 論

通過對外加強環(huán)式圓鋼管混凝土柱-鋼梁框架節(jié)點進行有限元分析，可得出以下結(jié)論：

1)通過對節(jié)點模型J1和J2對比分析可以看出，柱梁抗彎剛度比為1.3的節(jié)點不能很好的滿足“強柱弱梁”的設計要求。因此，在進行鋼管混凝土-鋼梁節(jié)點設計時，應適當提高對柱梁抗彎強度比的要求，對于全貫通焊接節(jié)點約為1.5；對于角焊縫節(jié)點，約為2.0。

2)通過對空鋼管節(jié)點與鋼管混凝土節(jié)點的數(shù)值計算，比較得知核心混凝土能大大提高節(jié)點承載力。由核心區(qū)混凝土主應力矢量分布圖可以看出，節(jié)點傳力模式符合斜壓桿機理。

[1]CECS28:90，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設計與施工規(guī)程[S].

[2]韓林海，馮九斌.混凝土的本構(gòu)關(guān)系及其在鋼管混凝土數(shù)值分析中的應用[J].哈爾濱建筑大學學報，1995，28(5)：27～30.

[3]韓林海.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)[M].北京：科學出版社，2000.

[4]唐九如.鋼筋混凝土框架節(jié)點抗震[M].南京：東南大學出版社，1989.

[5]Elremaily A，Azizinamini A. Design provisions for connections betweensteel beams and concrete filled tube columns[J]. Journal of Constructional SteelResearch， 2001，57(9)： 971～995.

[編輯] 易國華

2009-08-14

許鳳美(1982-)，女，2005年大學畢業(yè)，碩士生，現(xiàn)主要從事結(jié)構(gòu)工程專業(yè)方面的研究工作。

TU398；TU528.57

A

1673-1409(2009)04-N098-03