基于ABAQUS的斜交網格轉換層節點受力性能有限元分析

郭淦良

(華南理工大學審計處，廣東廣州 510640)

基于ABAQUS的斜交網格轉換層節點受力性能有限元分析

郭淦良

(華南理工大學審計處，廣東廣州 510640)

為了解斜交網格中Y型轉換層節點的受力性能，以深圳某超高層建筑交叉網格筒體結構為研究對象，采用ABAQUS 軟件對基礎與首層轉換層Y型節點進行了正常使用條件下的數值模擬，分析帶內隔板方鋼管混凝土柱-鋼梁剛性節點的受力和變形特征，驗證其構造的合理性。數值模擬結果表明：加載過程中，節點核心區變形不顯著，斜柱將先于節點區破壞，節點區將能有效傳遞斜柱內力，起到良好的聯結作用，滿足節點承載力大于構件承載力的強節點設計原則。

鋼管混凝土；斜交網格；轉換層節點；ABAQUS有限元分析

矩形鋼管結構節點形式簡單，結構外形美觀，已得到廣泛應用，國內外對支、主管直接焊接的矩形鋼管結構節點的受力性能有較多的研究[1-6]。帶內隔板的矩形鋼管混凝土柱與鋼梁連接的節點構造已被中國《矩形鋼管混凝土結構技術規程》[7]列為推薦形式。國內外學者對鋼管相貫混凝土節點進行了大量的試驗研究和理論分析，并對多種類型的節點提出了承載力計算經驗公式[8-10]。但這些研究主要是針對垂直正交節點，對多向斜交節點的相關研究報道較少。為驗證矩形鋼管混凝土斜交網格轉換層節點構造的合理性及是否滿足設計承載力要求，促進該結構在工程中的應用，本文以深圳某超高層建筑斜交網格筒體結構的基礎與首層轉換層Y型節點為研究對象，采用ABAQUS軟件對該節點進行有限元分析，分析復雜節點中內部混凝土及橫隔板的受力變形，揭示此類節點受力機理，探討主管內填混凝土及橫隔對矩形鋼管節點性能的改善。

1 建立模型

選取某實際工程的矩形鋼管混凝土轉換層交叉柱節點作為研究對象，分析模型與實際節點幾何尺寸相似比選為1∶3，荷載相似比為1∶9，節點的梁柱長度綜合考慮受力反彎點和后期實驗加載設備和空間的限制而確定，能夠反映原型節點的強度和剛度。該節點共匯交了3根矩形鋼管混凝土柱和2根H型鋼梁，下柱為豎直柱，與梁正交，上柱為單向傾斜柱，與水平方向夾角約67°，整個節點模型左右對稱。節點建模時，在兩斜柱端放置剛度很大、厚度40 mm的墊塊，通過施加與該墊塊耦合的集中力來對桿件進行軸壓加載。

試件三維模型及桿件編號和截面尺寸分別如圖1和圖2所示。

圖1 轉換層節點三維模型Fig.1 3D model of transfer joint

圖2 模型桿件編號及截面尺寸Fig.2 Code and cross-sectional dimension of model pole

節點鋼材設計強度為Q345B，管內混凝土設計標號為C60，外鋼管采用厚度為20 mm的鋼板，節點核心區內部采用縱、橫向肋板及水平隔板進行局部加強，加強措施如圖3所示。

圖3 轉換層節點試件加強措施示意圖Fig.3 Strengthen measures of transfer joint

1.1鋼材的彈塑性本構模型

鋼材采用ABAQUS自帶的彈塑性模型，該模型采用Von Mises 屈服準則和等向強化法則，能較好地模擬低碳鋼的彈塑性性能。其應力-應變關系采用三折線模型加以模擬[11](見圖4)。

圖4 鋼材應力-應變關系圖Fig.4 Stress-strain curve of steel

(1)

彈性模量取為2.06×105MPa，彈性段泊松比取為0.3。

1.2混凝土的本構模型

節點內的混凝土采用ABAQUS提供的塑性損傷模型(damage plasticity model)。塑性損傷模型適用于混凝土等準脆性材料，它是在LUBLINER等提出的模型的基礎上建立的。

在ABAQUS塑性損傷模型參數輸入時，本文采用的核心混凝土單軸應力-應變關系表達式見式(2)[12]。混凝土的應力-應變關系圖見圖5。

(2)

式中x=ε/εp,y=σ/fc,β0的取值可根據混凝土的強度等級查文獻[13]中的相關參數表。

圖5 混凝土應力-應變關系圖Fig.5 Stress-strain curve of concrete

1.3有限元網格劃分

合理的網格劃分不僅能使計算結果取得較好的精度，而且能大大減少計算工作量。針對底部轉換節點模型的特點，遠離節點核心區的桿件選用8節點6面體規則單元，內部混凝土也全部選用8節點6面體單元，形狀復雜的節點水平內隔板選用10節點4面體單元。有限元模型網格劃分見圖6。

圖6 有限元模型網格劃分Fig.6 Finite element model meshing

混凝土與鋼管之間認為是牢固黏結的，相互間沒有相對黏結滑移，故混凝土外表面與外鋼板之間采用綁定(tie)約束，內隔板嵌入混凝土(embedded)內部，以保證與混凝土共同受力。由于實際構件中鋼梁和柱子是焊接在一起的，故有限元分析建模時，使梁和柱共節點。節點梁柱端接近于反彎點，為了重點考慮節點核心區的受力變形特征，特使鋼梁端和下柱端固結，約束6個方向的自由度[13]。

1.4節點模型有限元計算和分析

該縮尺節點相應的設計荷載為2 000 kN，為了評價該節點的受力性能，分別考慮2種加載方式：①對稱加載，兩斜柱端同步加載至7 000 kN，考查節點在對稱荷載作用下的受力性能；②非對稱加載，兩斜柱同步長分別加載至7 000 kN和3 500 kN，考查節點在非對稱荷載下的受力和變形特征。

1.4.1 對稱加載有限元分析結果

模型節點在對稱同步加載下柱端荷載-位移曲線見圖7。從圖7可看出，節點在達到設計荷載2 000 kN時沒有屈服，柱端最大位移是0.31 mm，受力到7 000 kN時仍沒屈服，此時加載端的位移為1.12 mm。

圖7 對稱加載下柱端荷載-位移曲線Fig.7 Load-displacement curve of column end under symmetrical load

計算求得節點在對稱加載時兩柱端均加至7 000 kN荷載下的Mises應力云圖見圖8。

圖8 對稱荷載下有限元分析結果Fig.8 Finite element analysis results under symmetrical load

轉換層節點對稱加載模式下，兩加載端均加載至7 000 kN時，整個節點的應力最大處集中在加載區域，內部水平隔板在加載端承受很大的力，大大減小了內部混凝土端部的應力。外鋼管和內隔板在節點核心區的應力相對較小，內部混凝土在節點核心區的轉角處出現應力集中現象。兩上柱(C1，C2)加載端部及柱根部局部屈服，整個節點并未達到其屈服承載力，仍能繼續加載。節點的變形集中在加載區域，由于隔板和鋼梁的約束作用，節點核心區的變形很小。

1.4.2 非對稱加載的有限元分析結果

模型節點在非對稱同步加載下柱端荷載-位移曲線見圖9。從圖9可看出，節點在達到設計荷載2 000 kN和1 000 kN時沒有屈服，柱端最大位移分別是0.29 mm和0.16 mm，受力分別到7 000 kN和3 500 kN時仍沒屈服，此時加載端的位移分別為1.06 mm和0.56 mm。

計算求得節點非對稱加載在C1柱端加至7 000 kN(C2柱相應的荷載為3 500 kN)荷載下的Mises應力云圖，見圖10。

轉換層節點非對稱加載下，C1柱端加至7 000 kN (C2柱相應的荷載為3 500 kN)時，整個節點的應力最大處集中在7 000 kN加載端區域，內部水平隔板在加載端承受很大的力，大大減小了加載端內部混凝土的應力。在7 000 kN的作用線附近外鋼管應力較大，混凝土和內隔板在節點核心區的應力相對較小，內部混凝土在節點核心區的轉角處出現應力集中現象。C1加載力作用線附近區域的外鋼板、內隔板及混凝土均出現局部屈服。整個節點并未屈服，仍能繼續加載。節點的變形集中在7 000 kN加載區域，由于力的傳遞作用，節點核心區在3 500 kN加載側的變形相對另一側的變形稍大。整個節點由于不對稱受力，兩斜柱夾角位移較大，出現了一定的扭轉。

圖9 非對稱同步加載下柱端荷載-位移曲線Fig.9 Load-displacement curves of column ends under asymmetric loads

圖10 非對稱荷載下有限元分析結果Fig.10 Finite element analysis results under asymmetrical loads

2 結 論

本文通過對某高層建筑帶內隔板的轉換層Y型方鋼管混凝土柱-鋼梁剛性節點試件有限元分析，研究了節點在對稱加載和非對稱加載情況下的力學性能，得到了如下主要結論。

1)對于對稱加載和非對稱加載2種工況，轉換層節點的屈服程序均是桿件先屈服，節點核心區隨后局部屈服，節點總體能實現“強節點-弱桿件”的抗震要求。在加載至設計荷載2 000 kN時，整個節點均處于彈性工作狀態。至7 000 kN時，節點核心區塑性發展還有很大空間，由此可以推斷該節點的強度較高，受力比較合理，延性較好，安全儲備較高，使用該節點具有一定的可靠性和實用性。

2)節點域內隔板的受力性能良好，保證在內隔板的有效凈截面大于梁的翼緣截面時，內隔板不會發生破壞，破壞只發生在柱梁端。

3)有限元分析結果顯示，梁柱連接處內部混凝土的應力集中現象嚴重，若采用圓角的連接構造方式，可有效改善內部混凝土的受力性能。

4)盡管水平隔板在節點受力過程中應力并不大，但鑒于該結構體系為一個新興體系，桿件體量大且無過多贅余聯系，提高節點的安全儲備意義重大。另外，轉換層節點承上啟下，對該節點進行局部加強是完全必要的，因此，建議底部轉換節點仍然保留加勁肋。

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Finite element analysis on mechanical behavior of transfer joint used in obliquely crossing lattice based on ABAQUS

GUO Ganliang

(Auditing Division, South China University of Technology, Guangzhou Guangdong 510640, China)

In order to study the mechanical behavior of the Y-shaped joints in the oblique crossing lattice, the numerical simulations are carried out using the ABAQUS software on a transfer joint in obliquely crossing lattice in one extra high-rise structure in Shenzhen. The stress state and deformation behavior of concrete-filled square tube column and steel beam rigid joint with internal diagrams are analyzed. The results of the numerical simulation show that in the loading process， the deflection of the joint core is insignificant under good connection, the joint core is able to deliver the internal force effectively before the damage of the oblique column occurs, and it meets the requirement of "strong joint, weak column"．

concrete filled steel tube (CFST); obliquely crossing lattice; transfer joint; ABAQUS FEA

1008-1534(2014)04-0281-05

2014-03-10;

2014-03-31；責任編輯：馮 民

郭淦良(1967-)，男，廣東廣州人，工程師，碩士，主要從事工程項目管理和工程跟蹤審計方面的研究。

E-mail:13808889423@139.com

TU973.17；TU317.1

A

10.7535/hbgykj.2014yx04003

郭淦良.基于ABAQUS的斜交網格轉換層節點受力性能有限元分析[J].河北工業科技,2014,31(4):281-285. GUO Ganliang.Finite element analysis on mechanical behavior of transfer joint used in obliquely crossing lattice based on ABAQUS[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2014,31(4):281-285.