圓形鋼管混凝土柱框架典型節點受力性能分析

王慶江

圓形鋼管混凝土柱框架空間節點連接梁、柱和支撐等關鍵構件，受力性能復雜。目前對于在GB 50017-2003《鋼結構設計規范》、JGJ 99-2015《高層民用建筑鋼結構技術規程》、GB 50936-2014《鋼管混凝土結構技術規范》中未進行設計規定的節點，普遍先采用有限元分析方法進行受力分析，再根據分析結果判定節點域是否滿足承載力要求[1-3]。

筆者以天津水泥工業設計研究院有限公司某項目中的圓形鋼管混凝土柱框架結構典型節點為研究對象，采用有限元分析軟件ANSYS，分類建立了節點有限元模型，針對圓形鋼管混凝土柱框架復雜節點受力性能進行了非線性有限元分析。同時，根據分析結果對節點的設計給出了建議。

1　節點分類

根據圓形鋼管混凝土柱框架結構節點構造形式將框架節點分為5類，如表1所示，各類節點構造如圖1所示。

表1　節點分類及模型編號

圖1　典型節點構造圖

以類型1節點為例說明連接構件規格，類型1包括7個節點，主要為框架邊柱節點。該類節點由4根梁、1根支撐、上下柱、節點板、肋板和端板組成，其中L代表梁，Z為柱，ZC為支撐，J為支撐節點板，JJ為加勁板。7個節點主要連接構件截面規格如表2所示。

2　節點有限元模型建立

2．1　有限元模型

節點區域選擇梁、柱反彎點位置作為節點邊界，即柱長度取為層高的1/2，梁長度取為主梁跨度的1/2[4]，建立節點有限元模型，鋼管壁、鋼梁及板件采用殼單元Shell181模擬，混凝土采用體單元Solid45模擬[5]，如圖2所示。柱腳剛接，約束柱底面節點的全部自由度。提取整體結構計算模型在不同工況下的內力計算結果，施加在節點模型上，軸力通過桿件截面處的節點施加，彎矩、剪力通過在連接構件端截面定義剛性面和質量點的方式施加。

2．2　材料本構

支撐鋼材為Q235，其他連接構件和板件均為Q345，鋼材彈性模量 2．06×105N/mm2，泊松比 0．31；混凝土為C40，彈性模量3．25×104N/mm2，泊松比取0．20。

鋼管混凝土中鋼材選用雙線性隨動強化本構模型，該模型服從VON-MISES屈服準則，強化模量取為彈性模量的 0．01 倍，失效應變取為 0．6，本構關系如圖 3所示。

鋼管混凝土中混凝土采用典型的Tresca屈服準則的摩爾庫倫模型，材料模型選擇模擬平面屈服應力與壓力模型，參考損傷與失效的雙屈服面模型的參數取值方法加以合理簡化。

表2　類型1節點連接構件規格，mm

圖2　節點有限元模型

圖3　鋼材本構

2．3　粘結滑移

鋼筋和混凝土之間的抗滑力由化學膠結力、機械咬合力和鋼管與混凝土接觸面之間的摩擦力三部分組成[6]，其中鋼管與混凝土界面粘結強度受多方面的影響，混凝土軸心抗壓強度、鋼管徑厚比、鋼材屈服強度、軸壓比和構件長細比、混凝土的澆注方式及養護條件均是較重要的影響因素。筆者以構件平均粘結應力和構件端部滑移的關系作為粘結滑移本構關系[7]，初始時刻鋼管與核心混凝土之間處于固連狀態，當接觸應力σn和剪應力σs滿足式（1）時固連作用失效，鋼管和核心混凝土之間可以分離和滑移，失效準則如圖4所示[8]。

圖4　固連失效準則

式中：

σn——法向接觸應力

σs——切向接觸應力

NFLS——法向失效拉應力

SFLS——切向失效應力

3　節點受力性能分析

3．1　荷載作用

節點受力分析時主要考慮了以下荷載工況：

（1）永久荷載起控制作用的荷載效應組合（工況1）：

（2）可變荷載起控制作用的荷載效應組合（工況2）：

（3）考慮地震作用的荷載效應組合（工況3）：

其中：

SGK——永久荷載標準值的效應

SQK——可變荷載標準值的效應

SWK——風荷載標準值的效應

SGE——重力荷載代表值的效應

SEhk——水平地震作用標準值的效應

SEvk——豎向地震作用標準值的效應

對五類節點52個模型分別進行分析，分析其在三種工況下的受力性能，對于連接有支撐的1～4類節點，分別考慮設置與未設置加勁板兩種情況。

3．2　受力性能分析

提取各節點3種工況下的計算結果，各類型最不利節點的應力最大值如表3所示。

表3　各類型最不利節點應力最大值，N/mm2

以類型1節點為例進行說明，類型1中7個節點三種工況下的應力最大值如表4所示。

由表4可知，節點6為類型1最不利節點，其應力最大位置為梁與環板連接處，整體及局部應力云圖如圖5所示。此時節點6節點域受力情況如表5所示。

圖5　節點6應力云圖（工況1）

表5　節點6相關構件和板件應力最大值*，N/mm2

經過對類型1節點的受力分析，7個節點應力均未超過設計強度，節點承載力滿足要求。

通過52個節點的分析可知，節點受力最不利位置主要為環板與框架梁連接處。其原因是，框架梁根部受力且與環板連接位置框架梁截面發生突變，連接位置易出現應力集中。因此，受力較大的框架梁節點的加強環板建議做成弧形，梁高改變處坡度盡量做緩。

3．3　加勁板影響分析

5類節點中，類型1～類型4節點連有支撐，支撐連接處，節點板兩側的加勁板對節點板提供一定的側向剛度，對比分析設置與未設置加勁板節點的受力性能，考察加勁板對節點受力的影響。各類型節點中最不利節點加設和不加設加勁板時應力最大值對比如表6所示。以類型1節點為例，加設和不加設加勁板情況下計算結果對比如表7所示。

表6　各類型最不利節點設置和未設置加勁板應力最大值對比，N/mm2

表7　類型1節點設置和未設置加勁板應力最大值對比，N/mm2

圖6　節點5節點板和支撐應力云圖

7個節點中支撐連接角度（支撐與框架柱所成夾角）從30°～45°不等，其中5號節點支撐連接角度為30°，7號節點支撐連接角度為45°，以節點5和節點7為例進行分析說明。相較于設置加勁板時，未設置加勁板時節點板應力最大值變化不大。節點5和節點7設置與不設置加勁板時節點板和支撐應力云圖如圖6、圖7所示。圖中所示各區域應力變化如表8、表9所示。

由以上分析可知，對于節點5，區域1設置加勁板時應力最大，未設置加勁板時應力值幾乎不變，其他區域設置加勁板時應力較小，未設置加勁板時應力值有所增加，但應力均未達到節點板屈服強度；對于節點7，區域1和區域3是否設置加勁板應力變化不大，區域6應力變化最大，由25．5N/mm2增大為93．4N/mm2。

類型2、類型3和類型4節點中部分節點存在以下不同于類型1節點的情況。未設置加勁板時，節點板進入塑性，由此可知加勁板的設置能夠有效改善節點板的受力性能。表10列出當節點板進入塑性時，加設和不加設加勁肋兩種情況下節點板應力最大值。

圖7　節點7節點板和支撐應力云圖

表8　節點5設置和未設置加勁板應力對比，N/mm2

表9　節點7設置和未設置加勁板應力對比，N/mm2

通過46個連接支撐節點的分析結果，總結加勁板的設置原則。未設置加勁板時節點板應力存在發生塑性破壞的情況，加勁板的設置能夠較大程度地減小節點板應力，支撐內力越大的節點連接支撐處，加勁板的作用效果越顯著。由表10可知，對于支撐內力＞2 000kN的節點，連接支撐的位置必須設置加勁板以保證節點滿足承載力要求。

4　結論

經過對圓形鋼管混凝土柱框架結構52個典型節點受力性能的分析，得到以下結論：

（1）節點承載力均滿足設計要求。節點受力最不利位置為環板與框架梁連接處，對于連接受力較大框架梁的節點建議柱環板做成弧形，梁高改變處坡度盡量做緩。

表10　未設置加勁板時進入塑性節點應力最大值

（2）連接支撐的節點，加勁板對節點受力有一定影響，尤其對節點板和支撐的影響最為顯著。建議對于所連支撐的內力＞2 000kN的節點均設置加勁板，以保證節點域滿足承載力要求。

參考文獻：

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