基于ANSYS的復雜鋼管混凝土－環梁節點承載力性能研究

吳 強錢 江，周 穎胡 凱陳

（1．同濟大學土木工程防災國家重點實驗室，上海200092；2．中船第九設計研究院工程有限公司，上海200063）

基于ANSYS的復雜鋼管混凝土－環梁節點承載力性能研究

吳 強1錢 江1，周 穎1胡 凱2陳2

（1．同濟大學土木工程防災國家重點實驗室，上海200092；2．中船第九設計研究院工程有限公司，上海200063）

摘 要對某建筑中設計采用的復雜鋼管混凝土－環梁節點利用ANSYS軟件建立精細化的有限元計算模型，進行了設計工況下的承載力分析。計算結果表明，這種復雜鋼管混凝土－環梁節點的極限承載力性能遠高于設計水準，節點的安全裕度是足夠的。分析了該形式節點的應力分布狀態和損傷特征，結果表明，該節點可以達到“強柱弱梁”和“強節點、弱構件”的抗震設計要求。對關鍵設計參數進行了敏感性分析。本文分析結果可以為今后的類似工程設計提供參考。

關鍵詞鋼管混凝土－環梁節點，有限元數值模擬，抗震設計

Bearing Capacity Behavior Study on Com p lex CFST Ring Beam Joint Based on ANSYS

WU Qiang1QIAN Jiang1，ZHOU Ying1HU Kai2CHEN Wei2
（1．State Key Laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China；2．China Shipbuilding NDRI Engineering Co．，Ltd．，Shanghai 200063，China）

Abstract A type of complex CFST（Concrete Filled Steel Tubular）ring beam connection used in a building structure was simulated by ANSYS，the computational results agree well with the model test results．Numerical results indicate that the ultimate bearing capacity is much higher than the disign requirement，thus the safety margin is guaranteed with high confidence．The stress analysis and damage pattern were presented，it is concluded that this type of joint can satisfy the requirements of seismic fortification in the frame of“strong column and weak beam”and“strong joint and weak member”．The sensitivity analysis has been conducted to the key design parameters．Conclusions obtained in this study may provide reference to similar structural design in the future practice．

Keywords CFST ring beam joint，finite element numerical simulation，seismic design

1 引 言

近年來，鋼管混凝土結構因其優良的承載性能得到越來越廣泛的應用，鋼管混凝土結構梁柱節點從而成為一個熱點研究問題。

工程實踐中已經提出多種不同的鋼管混凝土梁柱節點形式，如加強環式、鋼筋環繞式、勁性環繞式、鋼筋貫通式、十字板式和錨定板式等。但上述節點形式存在明顯的不足：采用穿心鋼管形式，會損傷鋼管壁；而采用非穿心鋼管形式，會導致承載力和剛度不夠；對現場焊接施工技術要求也比較高，技術經濟性較低。鋼筋混凝土環梁節點是方小丹等［1］最近新提出來的一種節點形式，該節點通過繞鋼管設置一鋼筋混凝土環梁來傳遞彎矩，在環梁與鋼管的接觸面處緊貼鋼管外表面焊一環形鋼筋作為抗剪環以傳遞剪力，框架梁的主筋不穿過鋼管柱，僅通過錨固在環梁混凝土內，施工方便，現場焊接工作量少，鋼管壁受力也較好，無開孔造成的應力集中，不需在內部對節點處鋼管進行加強。

此類節點在工程實踐中已得到應用，如昆明邦克廣場、廣州翠湖山莊［2］、廣州合銀廣場、上海合生廣場等。理論研究主要針對規則框架結構的環梁節點［3－4］。

中交集團南方總部基地（A區）總部大廈位于廣州市海珠區，大廈主樓地下3層、地上43層，建筑高度為198．9 m，抗震設防烈度為7度。工程中采用了極為復雜的鋼筋混凝土環梁節點形式：多根框架梁斜向匯交于節點，框架柱采用鋼管混凝土疊合柱［5］。同濟大學周穎等［6］選取了主樓第十五層（結構平面布置圖見圖1）17-B軸角柱斜交梁系節點和15-B軸邊柱正交梁系節點分別進行了1∶2．5的縮尺模型節點JCC（節點構件平面圖見圖2，節點構件截面詳圖見圖3）和JSC（節點構件平面圖見圖4，節點構件截面詳圖見圖5）的承載力性能試驗。驗證了原設計承載力的安全性，為進一步探究該復雜節點的工作機理、傳力路徑、破壞模式以及關鍵設計參數影響，本文采用ANSYS軟件對縮尺模型節點進行精細化有限元數值模擬。

圖1　第十五層結構平面圖（單位：mm）Fig．1 The 15th plan of the building structure（Unit：mm）

2 有限元模型建立

圖2　JCC節點平面圖（單位：mm）Fig．2 Plan of JCC joint（Unit：mm）

有限元建模時，本著與試驗模型構件幾何尺寸、材料強度一致的原則進行建模，在鋼筋非常密集不便于網格劃分的地方適當采用鋼筋面積等效的方法來近似建模。梁、柱混凝土采用三維實體單元SOLID65［7］，鋼筋采用桿單元LINK8，鋼管采用殼單元SHELL63。柱和環梁混凝土為C60等級，框架梁混凝土為C35級，鋼筋為HRB400級，鋼管為Q345級型鋼，數值模擬時采用對應的材料強度標準值。混凝土采用多線性隨動強化模型，采用規范［8］建議的混凝土本構關系作為混凝土的單軸拉壓應力－應變關系。鋼筋采用雙線性隨動強化模型，折線上升段的斜率為鋼筋本身的彈性模量，水平段為鋼筋屈服后階段。暫不考慮鋼與混凝土之間的粘結滑移影響。

圖3　JCC節點截面詳圖（單位：mm）Fig．3 Detail section view of JCC joint（Unit：mm）

圖4　JSC節點平面圖Fig．4 Plan of JSC joint

JCC節點有限元模型如圖6所示，JSC有限元模型如圖7所示。柱端為固端約束，通過在梁端設置一彈性模量近似無窮大的剛性塊，將荷載施加在剛性塊端部形心節點上，由剛性塊將荷載均勻分配到梁端各節點。對于JCC節點，JCC-B1加載方向向下，JCC-B2加載方向向上，JCC-B3加載方向向下。對于JSC節點，JSC B1加載方向向下，JSC B2加載方向向下，JSC B3加載方向向上。

3 承載力分析

圖5　JSC節點截面詳圖（單位：mm）Fig．5 Detail section view of JSC joint（Unit：mm）

圖6　JCC節點有限元模型Fig．6 Finite element model of JCC joint

圖7　JSC節點有限元模型Fig．7 Finite element model of JCC joint

圖8、圖9為JCC節點和JSC節點各框架梁梁端荷載位移曲線計算值與試驗值的對比，從曲線特征上看，除了JSC B2框架梁以外，其余框架梁計算值與試驗值均符合良好。JSC B2的有限元分析結果比試驗結果高了44%，原因主要是JSC B2上部鋼筋比較多，導致試驗時鋼筋錨固效果不好，進而導致試驗中發生明顯的錨固破壞，如圖8所示。

圖8　JSC B2試驗破壞情況Fig．8 Failure of JSC B2 in the test

根據有限元模型計算出來的梁端承載力結合臂長和幾何相似比（S），計算出有限元模型反推回原型節點的各框架梁近節點處截面抗彎承載力，計算公式為Mp＝MM／SM＝MM／S3，計算結果見表1和表2，與原設計值對比表明：原設計的安全裕度是足夠的。

4 混凝土損傷分析

在ANSYS中，混凝土通過SOLID65單元受拉開裂來描述混凝土材料力學損傷行為，本文提取了JCC和JSC在初始開裂和裂縫完全發展兩個時刻的損傷情況，參見圖11、圖12（圖中標記“O”表示受拉開裂）。

表1　J C C節點框架梁抗彎承載力Table 1 Bend capacity of beams of JCC joint

表2　J S C節點框架梁抗彎承載力Table　2 Bend capacity of beams of JSC joint

圖9　JCC節點梁端荷載位移曲線Fig．9 Curves for force vs．displacement of JCC joint

圖10　JSC節點梁端荷載位移曲線Fig．10 Curves for force vs．displacement of JSC joint

初始開裂發生在框架梁端部受拉區和環梁交界處，隨著荷載的增大，裂縫沿框架梁長度方向迅速發展，環梁受拉區也開始出現裂縫，并不斷發展，環梁與疊合柱交界轉角處出現少量裂縫。裂縫發展的趨勢和試驗觀測到的現象是一致的，但是有限元計算得到的JCC-B1、JCC-B2、JCC-B3初始出現裂縫時的荷載水平分別是30 kN、20 kN、18 kN，而試驗觀測得到的數據分別是95 kN、40 kN、50 kN。有限元計算得到的JSC B1、JSC B2、JSC B3初始出現裂縫時的荷載水平分別是25 kN、30 kN、18 kN，而試驗觀測得到的數據分別是70 kN、40 kN、60 kN。原因可能是肉眼觀測精度有限，不易發現混凝土內部的裂縫和最開始出現的微裂縫，而有限元計算不受人為觀測因素影響。

圖11　JCC節點混凝土裂縫Fig．11 Cracks of concrete of JCC joint

圖12　JSC節點混凝土裂縫Fig．12 Cracks of concrete of JSC joint

5 應力狀態分析

為考察節點內部主要受力鋼筋和混凝土的應力狀態，分析了各組件不同荷載水平下的的應力數值，圖13－圖16（曲線橫坐標單位p為節點極限承載力）為JCC節點和JSC節點各組件在不同荷載水平下的應力。

圖13　JCC節點鋼筋應力Fig．13 Stress of rebar of JCC joint

從圖中曲線特征可以看出，當混凝土開始開裂時，受拉縱筋拉應力迅速增長，隨著荷載水平增大，框架梁縱筋應力水平增長速度明顯快于環梁縱筋，當框架梁縱筋進去屈服后，環梁受拉縱筋應力增長速度開始加快，但是當節點達到極限承載力時，環梁縱筋并沒有進入屈服。隨著荷載水平增大，環梁混凝土的主壓應力增長速度明顯高于框架梁混凝土。

節點達到極限承載力時，鋼管內部混凝土和鋼管壁的應力水平仍然很低，遠小于屈服應力。

圖14　JCC節點混凝土應力Fig．14 Stress of concrete of JCC joint

圖15　JSC節點鋼筋應力Fig．15 Stress of rebar of JSC joint

圖16　JSC節點混凝土應力Fig．16 Stress of concrete of JSC joint

6 參數分析

為進一步考察該復雜鋼管混凝土環梁節點關鍵設計參數的影響，本文基于JSC節點對徑寬比（環梁直徑／環梁寬度）n、框架梁縱筋配筋率ρKL和環梁縱筋配筋率ρHL這三個設計參數進行了敏感性分析。

圖17給出了框架梁配筋率、環梁縱筋配筋率一定的條件下，徑寬比n（保持環梁直徑不變，改變環梁寬度）對梁端荷載的影響。隨著徑寬比減小，梁端部荷載增加，但增加幅度并不大，表明徑寬比的減小使節點受彎承載力增大，但增大幅度并不顯著。

圖17　不同n對梁端荷載的影響Fig．17 Influence of n on load capacity at beam end

圖18（圖中括號內分別為JSC B1、JSC B2和JSC B3的縱筋配筋率）給出了徑寬比、環梁縱筋配筋率一定的條件下，框架梁縱筋配筋率ρKL對梁端荷載的影響。隨著框架梁縱筋配筋率增大，梁端荷載顯著增加，節點受彎承載力增大。

圖19給出了徑寬比、框架梁縱筋配筋率一定的條件下，環梁縱筋配筋率ρHL對梁端荷載的影響。可以看出環梁縱筋配筋率對梁端荷載影響不明顯。

7 結論與展望

本文對某復雜鋼管混凝土－環梁節點進行了精細化的有限元數值模擬并與試驗結果進行比較，得出以下結論：

圖18　不同ρKL對梁端荷載的影響Fig．18 Influence of ρKLon load capacity at beam end

圖19　不同ρHL對梁端荷載的影響Fig．19 Influence of ρHLon load capacity at beam end

（1）計算結果與試驗結果對比，兩者符合良好，說明有限元模型合理、正確。計算結果表明節點極限承載力性能遠高于設計水平，節點的安全裕度是足夠的。

（2）斜交梁系節點JCC和正交梁系節點JSC的承載力、裂縫開展和應力狀態沒有顯著的差別，其原因可能是由于環梁為360°各個方向同性的構件，對斜交梁系不敏感。

（3）該節點破壞時，鋼管和鋼管內部混凝土的應力都很小，均處于正常使用狀態，表明環梁的存在沒有對鋼管混凝土疊合柱產生不利影響，環梁破壞不會造成柱的破壞，可以達到“強柱弱梁”的抗震設計要求。節點的破壞出現在框架梁和環梁的交界處，從梁端荷載位移曲線來看，節點表現出良好的延性，可以達到“強節點、弱構件”的抗震設計要求。

（4）初步認為環梁縱筋配筋率不是該節點承載力主要影響參數。考慮到環梁與一般框架梁的不同，環梁箍筋對該節點形式力學性能的影響有待進一步的研究。

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基金項目：“十二五”國家科技支撐計劃項目（2012BAJ13B02）；國家自然科學基金重大研究計劃項目（91315301－4）聯系作者，Email：jqian＠tongji．edu．cn

收稿日期：2014－05－02