許鳳美，徐夢(mèng)琴，許成祥，盧海林

(長(zhǎng)江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

外加強(qiáng)環(huán)式圓鋼管混凝土柱-鋼梁框架節(jié)點(diǎn)有限元分析

許鳳美，徐夢(mèng)琴，許成祥，盧海林

(長(zhǎng)江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

在選擇合理的材料本構(gòu)關(guān)系和破壞準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，建立外加強(qiáng)環(huán)式鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)三維非線性有限元計(jì)算模型，分析柱梁抗彎強(qiáng)度比及核心區(qū)混凝土對(duì)節(jié)點(diǎn)受力性能的影響。結(jié)果表明，鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)柱梁抗彎強(qiáng)度比應(yīng)加以限制，核心混凝土大大提高了節(jié)點(diǎn)的承載能力，節(jié)點(diǎn)傳力模式符合斜壓桿機(jī)理。

鋼管混凝土；框架節(jié)點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)柱梁抗彎強(qiáng)度比；有限元分析

鋼管混凝土柱框架節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的受力性能對(duì)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(diǎn)受力性能的復(fù)雜性和試驗(yàn)研究的局限性，依靠試驗(yàn)研究還有許多不足，通過(guò)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(gè)適用于節(jié)點(diǎn)區(qū)外加強(qiáng)環(huán)式鋼管混凝土柱-鋼梁框架節(jié)點(diǎn)試件的三維有限元分析模型，討論柱梁抗彎強(qiáng)度比及核心區(qū)混凝土對(duì)外加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)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(shí)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(qiáng)度等級(jí)

根據(jù)《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》[1]的要求，對(duì)外加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與計(jì)算。為了研究柱梁抗彎強(qiáng)度比及核心混凝土對(duì)節(jié)點(diǎn)受力性能的影響，建立了3個(gè)節(jié)點(diǎn)模型，分別為J1，J2，J3，模型尺寸及混凝土強(qiáng)度等級(jí)見(jiàn)表1。梁長(zhǎng)每邊各取1.05m，柱上下各取1.30m，加強(qiáng)環(huán)寬度取50mm。混凝土強(qiáng)度等級(jí)選用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(qiáng)度為235.0N/mm2。

對(duì)節(jié)點(diǎn)有限元模型中的鋼管選用SOLID45單元[2]，此單元由8個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上有3個(gè)自由度，分別沿著3個(gè)坐標(biāo)軸方向。鋼梁及外加強(qiáng)環(huán)選用SHELL181單元，由于該單元節(jié)點(diǎn)具有X、Y、Z位移方向及X、Y、Z旋轉(zhuǎn)方向的6個(gè)自由度，和鋼管單元節(jié)點(diǎn)自由度的性質(zhì)不同，這樣在它們的連接處會(huì)出現(xiàn)“約束不足”的現(xiàn)象，因此，在殼和實(shí)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]?；炷恋哪M采用ANSYS內(nèi)部專門針對(duì)混凝土材料的三維實(shí)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(diǎn)的坐標(biāo)按照文獻(xiàn)[2]提出的核心混凝土應(yīng)力-應(yīng)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(yīng)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(gè)節(jié)點(diǎn)模型的約束效應(yīng)系數(shù)ξ分別為1.04和1.54。

在采用ANSYS進(jìn)行非線性分析的過(guò)程中，同時(shí)考慮材料非線性和大位移大應(yīng)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(jìn)行判斷[2]。節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格劃分模型如圖3所示。

圖1 鋼材應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系圖2 混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

圖3 節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(yīng)力集中，將集中力等效為面荷載施加。然后在節(jié)點(diǎn)2側(cè)梁端施加反對(duì)稱荷載，采用位移控制的方式進(jìn)行加載。

3 結(jié)果分析

3.1柱梁抗彎剛度比對(duì)節(jié)點(diǎn)性能的影響

普通鋼筋混凝土框架節(jié)點(diǎn)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(yīng)設(shè)法予以避免。同樣，在進(jìn)行鋼管混凝土框架節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)時(shí)，遵循“強(qiáng)柱弱梁”原則。為了確定柱梁抗彎強(qiáng)度比對(duì)節(jié)點(diǎn)破壞形態(tài)的影響，計(jì)算時(shí)選用J1和J2兩種節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行對(duì)比分析。

圖4 節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格劃分模型

1)環(huán)板應(yīng)力 節(jié)點(diǎn)鋼梁上翼緣屈服時(shí)，環(huán)板的VON MISES應(yīng)力如圖4所示[5]。由圖4可知，J1節(jié)點(diǎn)的塑性鉸出現(xiàn)在鋼梁端部翼緣，并逐漸向遠(yuǎn)離節(jié)點(diǎn)的方向擴(kuò)展。J2節(jié)點(diǎn)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(diǎn)核心區(qū)發(fā)展的趨勢(shì)。

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

圖5 J1鋼管應(yīng)力分布 圖6 J2鋼管應(yīng)力分布

由圖中曲線可以看出，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)鋼管距腹板的1/4圓周處為應(yīng)力最大點(diǎn)，即最危險(xiǎn)點(diǎn)。另外，對(duì)于柱梁設(shè)計(jì)抗彎強(qiáng)度比為1.3的模型J2，在極限承載力作用下，節(jié)點(diǎn)區(qū)的部分柱面也已經(jīng)達(dá)到塑性。因此，對(duì)于鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，應(yīng)考慮適當(dāng)提高對(duì)柱梁抗彎強(qiáng)度比的要求。為了實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”，柱梁抗彎強(qiáng)度比應(yīng)加以限制。Azizinamini和Schneier[5]曾對(duì)鋼管混凝-鋼梁節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)提出了設(shè)計(jì)建議，對(duì)于全貫通焊接節(jié)點(diǎn)約為1.5；對(duì)于角焊縫節(jié)點(diǎn)，約為2.0。

3.2核心區(qū)混凝土對(duì)節(jié)點(diǎn)性能的影響

筆者對(duì)空鋼管節(jié)點(diǎn)模型J3和同尺寸鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)模型J1進(jìn)行了計(jì)算，J3節(jié)點(diǎn)核心區(qū)鋼管截面MISES應(yīng)力沿環(huán)向路徑的映射曲線如圖7所示。

1)鋼管應(yīng)力 由圖7可以看出，J3核心區(qū)鋼管壁內(nèi)外壁均達(dá)到屈服狀態(tài)，且應(yīng)力相差不大。由圖5可以看出，J1節(jié)點(diǎn)核心區(qū)鋼管內(nèi)外壁都未達(dá)屈服狀態(tài)，內(nèi)壁應(yīng)力明顯小于外壁。說(shuō)明鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)所受的內(nèi)力通過(guò)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(yīng)力減小。此外，核心區(qū)混凝土在徑向支撐著節(jié)點(diǎn)處的鋼管壁，增大了節(jié)點(diǎn)的剛度，從而大大提高了鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)的承載力。

2)核心區(qū)混凝土最大主應(yīng)力 核心區(qū)混凝土主應(yīng)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(yīng)力基本沿對(duì)角線方向，說(shuō)明節(jié)點(diǎn)傳力模式符合斜壓桿機(jī)理。Elremaily A等[5]給出了按照斜壓桿機(jī)理推出的核心區(qū)混凝土抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式：

(1)

式中，fc為混凝土抗壓強(qiáng)度；dc為鋼管直徑。

圖7 J3鋼管應(yīng)力分布 圖8 核心區(qū)混凝土主應(yīng)力矢量分布圖

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)外加強(qiáng)環(huán)式圓鋼管混凝土柱-鋼梁框架節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元分析，可得出以下結(jié)論：

1)通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)模型J1和J2對(duì)比分析可以看出，柱梁抗彎剛度比為1.3的節(jié)點(diǎn)不能很好的滿足“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計(jì)要求。因此，在進(jìn)行鋼管混凝土-鋼梁節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)適當(dāng)提高對(duì)柱梁抗彎強(qiáng)度比的要求，對(duì)于全貫通焊接節(jié)點(diǎn)約為1.5；對(duì)于角焊縫節(jié)點(diǎn)，約為2.0。

2)通過(guò)對(duì)空鋼管節(jié)點(diǎn)與鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)的數(shù)值計(jì)算，比較得知核心混凝土能大大提高節(jié)點(diǎn)承載力。由核心區(qū)混凝土主應(yīng)力矢量分布圖可以看出，節(jié)點(diǎn)傳力模式符合斜壓桿機(jī)理。

[1]CECS28:90，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(yīng)用[J].哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，1995，28(5)：27～30.

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

[4]唐九如.鋼筋混凝土框架節(jié)點(diǎn)抗震[M].南京：東南大學(xué)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(guó)華

2009-08-14

許鳳美(1982-)，女，2005年大學(xué)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