摘 要:本文中作者提出了一種在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)采用U形箍筋的型鋼混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)新形式，這種節(jié)點(diǎn)形式可以免去在梁型鋼開孔，簡(jiǎn)化施工。通過對(duì)該種節(jié)點(diǎn)形式建立數(shù)值模型，采用ABAQUS有限元分析軟件對(duì)其承載力性能進(jìn)行有限元分析，并通過變換梁型鋼翼緣寬厚比及腹板高厚比，討論上述兩個(gè)參數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力的影響。

關(guān)鍵詞:U形箍筋 梁柱節(jié)點(diǎn) ABAQUS 承載力

中圖分類號(hào):TB47文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2012)03(a)-0053-01

引言

由于傳統(tǒng)型鋼混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)需要在梁型鋼腹板開孔，由此穿過節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的柱箍筋，這種構(gòu)造形式在施工上很不方便，給施工帶來困難，施工質(zhì)量難以得到保證。因此，本文在傳統(tǒng)型鋼混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)采用4個(gè)U形箍筋代替閉合箍筋，以省去在梁型鋼腹板開孔的工序，并且能夠簡(jiǎn)化施工。但是由于這是一種新型的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式，故需研究其承載力性能。

本文通過有限元軟件ABAQUS對(duì)該種節(jié)點(diǎn)建立模型，并且通過變換參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果來討論該種節(jié)點(diǎn)形式的承載力性能。

1 有限元分析

1.1 單元類型選擇

混凝土選用8節(jié)點(diǎn)六面體線性減縮積分單元(C3D8R)，C3D8R單元比普通完全積分單元在每個(gè)方向少用一個(gè)積分點(diǎn)，每個(gè)單元有8個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)平動(dòng)自由度。國內(nèi)外研究表明，采用C3D8R單元類型模擬三維問題時(shí)，能夠獲得足夠的精度。

考慮到型鋼鋼板的幾何特性，并且為了減少計(jì)算時(shí)間，故型鋼采用4節(jié)點(diǎn)四邊形有限薄膜應(yīng)變線性減縮積分殼單元(S4R)。該種單元類型性能穩(wěn)定，適用范圍很廣。國內(nèi)外研究資料顯示，采用殼單元模擬鋼板，計(jì)算結(jié)果可以獲得足夠的精度并能夠大大縮短計(jì)算時(shí)間。

由于鋼筋的幾何特性，故在建立鋼筋的數(shù)值模型時(shí)采用了桁架單元，單元類型為2節(jié)點(diǎn)線性三維桁架單元(T3D2)。

1.2 材料本構(gòu)模型

混凝土的本構(gòu)模型采用ABAQUS軟件中提供的損傷塑性模型(Concrete damaged plasticity)。該模型是使用各向同性損傷彈性結(jié)合各向同性拉伸和壓縮塑性的模式來表示混凝土的非彈性行為，它是基于塑性的連續(xù)截止損傷模型。損傷塑性模型可用于單向加載、循環(huán)加載以及動(dòng)態(tài)加載等情況，具有較好的收斂性[1]。

型鋼及鋼筋的本構(gòu)模型采用ABAQUS軟件中自帶的金屬塑性材料本構(gòu)模型。

1.3 相互作用

由于型鋼混凝土柱處于中低軸壓比的工作條件下，并且鋼材的泊松比大于混凝土的泊松比，導(dǎo)致混凝土受到型鋼的擠壓而不宜與之產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，同時(shí)節(jié)點(diǎn)區(qū)的型鋼翼緣框?qū)炷劣休^強(qiáng)的約束作用，根據(jù)國內(nèi)外的試驗(yàn)研究結(jié)果，直至破壞，節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土與型鋼仍能夠較好的共同工作，故可以忽略節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土與型鋼之間的粘結(jié)滑移。在建模過程中，將鋼筋部分及型鋼部分通過Embedded Region命令嵌入到混凝土中，使其共同受力變形。

1.4 邊界條件及荷載

邊界條件應(yīng)與實(shí)際相同。約束柱頂及柱底除UR3外的全部自由度，使柱頂與柱底形成鉸接，彎矩為零。在梁端施加單向位移荷載，為200mm，以使試件能夠達(dá)到破壞。

1.5 網(wǎng)格劃分

由于混凝土幾何形狀較整齊，故采用Hex(完全六面體)單元，通過Structured(結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格)的劃分技術(shù)劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為50mm。

由于箍筋孔洞的存在，導(dǎo)致型鋼無法采用Quad單元，故將有孔洞區(qū)域分割出去，將其他部分采用Quad單元，在箍筋孔洞處采用Tri(三角形)單元，網(wǎng)格尺寸為50mm。

1.6 求解控制

由于本次試驗(yàn)的梁端往復(fù)加載的周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于試件的基本自振周期，故本次分析采用ABAQUS/Standard隱式求解器進(jìn)行求解。

2 計(jì)算結(jié)果分析

(1)通過提取結(jié)果文件中的加載點(diǎn)處的反力，得出普通型鋼混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)的極限承載力為249.37kN，而采用U形箍筋的節(jié)點(diǎn)形式的極限承載力為253.1kN，新型梁柱節(jié)點(diǎn)的承載力略大于普通節(jié)點(diǎn)形式。(2)當(dāng)其他參數(shù)相同，梁型鋼翼緣寬度分別為120mm、150mm和180mm時(shí)，該節(jié)點(diǎn)的極限承載力分別為231.07kN、253.1kN和272.8kN;當(dāng)梁翼緣厚度分別為10mm、12mm和20mm時(shí)，該節(jié)點(diǎn)的極限承載力分別為236.9kN、253.1kN和314.49kN。(3)保持其他參數(shù)不變，改變梁型鋼腹板的厚度，分別為8mm，10mm和14mm，計(jì)算出的試件極限承載力分別為240.03kN、253.1kN和274.8kN。

3 影響因素分析

(1)由于新型型鋼混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)的梁型鋼腹板沒有開孔，從而避免了削弱，同時(shí)，由于兩種節(jié)點(diǎn)形式均為梁端出現(xiàn)塑性鉸破壞，故節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的箍筋形式對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力性能幾乎沒有影響，這使得該種新型節(jié)點(diǎn)形式的極限承載力要略大于普通型鋼混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)。(2)梁型鋼翼緣寬度的增加，提高了梁的抗彎剛度，這也使得節(jié)點(diǎn)的承載力有所提高;增加梁型鋼翼緣的厚度，使得翼緣中性軸遠(yuǎn)離梁型鋼的中性軸，翼緣對(duì)梁型鋼中性軸的慣性矩增大，導(dǎo)致其抗彎剛度增加，提升了節(jié)點(diǎn)的抗彎承載力，提高了極限荷載。(3)腹板厚度的增加提升了梁型鋼的抗剪能力，而梁端的剪力與加載點(diǎn)處的荷載相等，故導(dǎo)致了節(jié)點(diǎn)承載力的增加。

4 結(jié)語

由于本次模擬以實(shí)際工程為基礎(chǔ)，故全部的試件均按照“強(qiáng)柱弱梁強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，這就導(dǎo)致了節(jié)點(diǎn)核心區(qū)沒有破壞，其仍能夠承受梁傳來的剪力，雖然結(jié)果表明這種節(jié)點(diǎn)形式具有良好的承載能力，符合工程實(shí)際的要求，但是由于節(jié)點(diǎn)核心區(qū)未破壞，從而也就無法推導(dǎo)采用U形箍筋時(shí)的節(jié)點(diǎn)承載力計(jì)算公式。

在以后的工作中，在設(shè)計(jì)試件方面應(yīng)使節(jié)點(diǎn)核心區(qū)發(fā)生剪切破壞，這樣能夠更好的評(píng)價(jià)一種節(jié)點(diǎn)承載力或抗震性能方面的優(yōu)劣。

參考文獻(xiàn)

[1]石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實(shí)例詳解.北京:機(jī)械工業(yè)出版社， 2009.