方管混凝土柱和矩形鋼管混凝土柱節(jié)點的應(yīng)力分析

吳維坤 （安徽富煌建筑設(shè)計研究有限公司，安徽 合肥 230088）

1 引言

近幾年裝配式鋼結(jié)構(gòu)以其安全性、經(jīng)濟性、環(huán)保性等優(yōu)點被大力推廣，其建設(shè)過程相較傳統(tǒng)的混凝土建筑縮短了工期，提升了抗震性能，降低了基礎(chǔ)造價，減少了環(huán)境污染。

裝配式鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)之一是梁柱節(jié)點的設(shè)計，在兩個方向梁的尺寸相近時，鋼管混凝土柱的節(jié)點設(shè)計力求柱的長寬比接近，一是為了避免強軸方向節(jié)點承載力過大，造成不必要的浪費，二是防止弱軸方向梁柱連接處局部拉壓應(yīng)力過大，鋼材提前屈服。

然而經(jīng)常由于場地、建筑布局和施工工藝的要求，柱身截面不得不設(shè)計成扁平的形式。扁平柱節(jié)點的設(shè)計難點在于垂直柱身方向分強軸、弱軸兩個方向，強軸方向梁的承載能力一般可以達到設(shè)計要求；弱軸方向梁若連接于柱中區(qū)，則柱身易局部起拱和壓陷，若齊柱邊，兩根梁的距離過近，則柱的角部載荷過大，容易首先達到屈服強度，從而被撕裂或者壓壞。

了解方管混凝土柱和矩形鋼管混凝土柱的梁柱節(jié)點在應(yīng)力分布和塑性特征上的差異對于明確設(shè)計理念，針對性地改造關(guān)鍵區(qū)域具有積極的意義。

2 方管混凝土柱和矩形鋼管混凝土柱節(jié)點的計算模型

本文通過數(shù)值模擬分析方管混凝土柱節(jié)點和矩形鋼管混凝土柱節(jié)點的應(yīng)力分布形式、大小和屈服擴展的差異，為便于敘述，把方管混凝土柱的梁柱節(jié)點稱為節(jié)點1，矩形鋼管混凝土柱的梁柱節(jié)點稱為節(jié)點2。

圖1 節(jié)點1、節(jié)點2的結(jié)構(gòu)形式

圖1a柱尺寸為350×350×14，梁尺寸為400×200×8×13，圖1b中柱尺寸為600×200×8×13，梁尺寸同圖1（a）。模型的梁長均取2m，柱高取3m。

運用有限元軟件ANSYS進行節(jié)點的設(shè)計和分析，用實體單元solid65模擬混凝土，用實體單元20node186模擬鋼材，均采用彈塑性本構(gòu)TB模型，其中混凝土采用多線性隨動強化模型，鋼材雙線性隨動強化模型，智能劃分網(wǎng)格，精度為6。

圖2 節(jié)點1、節(jié)點2的網(wǎng)格劃分

節(jié)點1、2模型的荷載，邊界相同，具體如下。

荷載：①每根梁端加20kN集中力，方向向下；

②柱頂部加共3500kN面荷載；

③自重。

邊界：柱底鉸接，柱頂不限制豎向位移，梁端自由。

3 方管混凝土柱和矩形鋼管混凝土柱節(jié)點的應(yīng)力分析

經(jīng)過計算，兩個節(jié)點的最大主應(yīng)力云圖如圖3所示。

圖3 節(jié)點1、2的最大主應(yīng)力云圖

從圖3可以看出，兩個節(jié)點均在梁柱連接處的應(yīng)力最大，其中節(jié)點1由于對稱性，應(yīng)力分布更加均勻飽滿，柱身應(yīng)力不大；節(jié)點2的應(yīng)力分布不規(guī)則，較大的應(yīng)力集中在弱軸根部，此部分柱身局部拉應(yīng)力較大，存在起拱的趨勢。另一方面，節(jié)點2弱軸根部應(yīng)力大于節(jié)點1相應(yīng)位置，但強軸根部應(yīng)力小于前者，設(shè)計中將以弱軸方向為控制方向，則強軸方向材料達不到充分利用，不經(jīng)濟。

將節(jié)點2弱軸梁上翼緣與柱連接處、強軸梁上翼緣與柱連接處、弱軸連接點上部和強軸連接點上部的一定范圍分別命名為1處、2處、3處和4處，節(jié)點1相應(yīng)位置的命名同節(jié)點2。

提取兩個節(jié)點1、2、3、4處的平均應(yīng)力如上表所示。

圖4 節(jié)點2關(guān)鍵點

節(jié)點1、2關(guān)鍵點處的應(yīng)力

圖5 節(jié)點1、2各關(guān)鍵點處的應(yīng)力比較

將上表數(shù)據(jù)繪圖如下。

表1和圖5可以看到，節(jié)點2的1處應(yīng)力增幅較大，達到了29.3%，3處應(yīng)力更是呈5倍增長，這代表弱軸翼緣根部由于缺乏側(cè)向支撐容易首先屈服，同時該處上部分臨近柱身受翼緣影響較大，應(yīng)力提前達到屈服強度，將早于方鋼管相應(yīng)位置產(chǎn)生明顯變形，對穩(wěn)定不利。

此外，節(jié)點2的2、4處應(yīng)力均比節(jié)點1相應(yīng)位置小，分別占后者的69%和83.7%，表明強軸翼緣根部和該點上部臨近柱身以犧牲弱軸承載能力為代價，將屈服時間滯后，但這種交換非結(jié)構(gòu)設(shè)計初衷，因為控制應(yīng)力仍然是前者。

比較同一節(jié)點各關(guān)鍵點的應(yīng)力可以發(fā)現(xiàn)，節(jié)點1臨近翼緣根部的柱身應(yīng)力為4.3MPa，僅占根部的23.4%，柱身應(yīng)力富余較足，方管混凝土梁柱節(jié)點破壞的關(guān)注重點應(yīng)是翼緣根部位置。節(jié)點2的3處反而比1處應(yīng)力大，表明矩形鋼管混凝土梁柱節(jié)點的弱軸臨近翼緣根部的柱身位置需格外注重強度和穩(wěn)定性的設(shè)計，因為該位置可能先于根部產(chǎn)生較大變形。

將每個梁端集中力加至160kN，使節(jié)點大面積進入屈服區(qū)，得到的應(yīng)力云圖如圖6。

圖6 進入屈服階段的節(jié)點應(yīng)力云圖

觀察圖6可以發(fā)現(xiàn)，節(jié)點1的應(yīng)力線比較對稱，上翼緣根部邊緣首先大面積屈服，而后連接發(fā)展至柱的角部，大部分柱身仍能維持工作。節(jié)點2的應(yīng)力線呈現(xiàn)奇異性，強軸上翼緣根部的屈服延伸不如節(jié)點1，但弱軸根部上翼緣屈服已連成整體，同時蔓延至半圓形的柱身區(qū)域，柱身外角部位也已經(jīng)屈服。此外值得注意的是，節(jié)點2梁柱連接位置的塑性發(fā)展是在弱軸上翼緣、強軸上翼緣和強軸下翼緣根部應(yīng)力達到屈服點的共同作用下完成的，與節(jié)點1不同的是提前連通了上下翼緣屈服點，因此塑性發(fā)展更快，范圍更廣。

4 結(jié)語

①矩形鋼管混凝土梁柱節(jié)點的弱軸連接處應(yīng)力較大，隨著載荷量的增加，將提前進入屈服階段，方管混凝土梁柱節(jié)點應(yīng)力分布則較為均勻；

②方管混凝土梁柱節(jié)點的臨近根部的柱身應(yīng)力不大，不必重點關(guān)注，矩形鋼管混凝土梁柱節(jié)點的弱軸臨近翼緣根部的柱身位置需格外注重強度和穩(wěn)定性的設(shè)計，因為該位置應(yīng)力很大，可能先于根部產(chǎn)生較大變形；

③方管混凝土梁柱節(jié)點的屈服是從上翼緣根部延伸至柱的角部，矩形鋼管混凝土梁柱節(jié)點塑性發(fā)展到一定階段后，屈服區(qū)域由弱軸上翼緣、強軸上翼緣和強軸下翼緣根部共同連成，塑性發(fā)展更快，范圍更廣。