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（九江學(xué)院 土木與城建學(xué)院，江西九江 332005）

鋼-混凝土組合節(jié)點(diǎn)的有限元應(yīng)力分析

張?jiān)伱?，曾曉?/p>

（九江學(xué)院 土木與城建學(xué)院，江西九江 332005）

近幾十年來(lái)，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)在土木工程的高層和超高層建筑中得到廣泛應(yīng)用。在工程設(shè)計(jì)中采用的節(jié)點(diǎn)形式多種多樣，且各有其不同的特性。在框架設(shè)計(jì)時(shí)，大都假設(shè)為剛接或鉸接節(jié)點(diǎn)，因而節(jié)點(diǎn)的受力特性有一定的差異。在一定荷載條件下，利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)加強(qiáng)環(huán)式組合梁-鋼管混凝土柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了模擬分析。其主要結(jié)論為：①組合梁-鋼管混凝土柱節(jié)點(diǎn)在梁下翼緣與加強(qiáng)環(huán)交界邊緣處最早出現(xiàn)受壓屈服區(qū)，隨后向梁下翼緣、腹板擴(kuò)散，此處應(yīng)力變化顯著；②混凝土柱基本處于受壓狀態(tài)；③節(jié)點(diǎn)區(qū)鋼筋受力明顯，并沿翼板寬度減少。

組合節(jié)點(diǎn)；ANSYS；有限元分析

近幾十年來(lái)，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在土木工程的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［1］。在高層和超高層建筑中，鋼管混凝土柱的特殊構(gòu)造，促進(jìn)了研究者對(duì)梁-柱連接方面的研究。目前有超過(guò)20種的節(jié)點(diǎn)形式在工程中采用。各種特性不一的節(jié)點(diǎn)形式，在引入框架設(shè)計(jì)時(shí)，無(wú)一例外地被假設(shè)為剛接或鉸接節(jié)點(diǎn)［2］。

組合梁在節(jié)點(diǎn)負(fù)彎矩區(qū)，受力復(fù)雜，需要進(jìn)一步研究。在有限元中和節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，采用了平截面假定，假設(shè)鋼梁與混凝土共同作用。

通過(guò)對(duì)有限元分析結(jié)果的校核、修正，建立的有限元分析可以應(yīng)用于組合梁柱節(jié)點(diǎn)分析。對(duì)該節(jié)點(diǎn)的研究，有助于框架節(jié)點(diǎn)研究，指導(dǎo)工程中組合梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，具有一定的實(shí)際意義。

1 單元類型的選擇

節(jié)點(diǎn)模型由鋼管、核心混凝土、H型鋼梁、混凝土翼板、混凝土翼板中的鋼筋和抗剪連接件栓釘組成［3］，本文在ANSYS中選擇了以下單元類型對(duì)節(jié)點(diǎn)各部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)模擬。

1.1 實(shí)體單元

在不同的單元族中，連續(xù)體或者實(shí)體單元能夠用來(lái)模擬范圍最廣泛的構(gòu)件。實(shí)體單元可以通過(guò)其任何一個(gè)表面與其它的單元相連，實(shí)體單元就像建筑物中的磚或馬賽克中的瓷磚一樣，能夠用來(lái)構(gòu)建具有幾乎任何形狀、承受幾乎任意載荷的模型。

文中選用了3-D實(shí)體單元中的SOLID45，作為鋼管、核心混凝土、H型鋼梁、混凝土翼板以及栓釘?shù)膯卧愋汀?/p>

1.2 桿單元

混凝土翼板中的鋼筋，采用了桁架單元中LINK1（2-node linear displacement）。

2 模型的建立與求解

根據(jù)上一節(jié)所述的單元類型，建立了節(jié)點(diǎn)的實(shí)體模型，如圖1所示，尺寸與試件完全相同。

圖2是有限元模型的單元結(jié)構(gòu)劃分。由于栓釘與梁柱尺寸比例相差很大，而本模型又都以實(shí)體建模，所以局部進(jìn)行了細(xì)化。

圖1 有限元模型Fig.1 Finite element model

圖2 有限元結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分Fig.2 Finite element meshes

相關(guān)材料參數(shù)是對(duì)節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)時(shí)所采用的材料經(jīng)力學(xué)性能試驗(yàn)測(cè)定、材料說(shuō)明和材料經(jīng)驗(yàn)公式［4］推算而來(lái)，見(jiàn)表1。

表1 有限元中材料參數(shù)表Table 1 Parameters of material in finite element

3 結(jié)果分析

本文的ANSYS分析結(jié)果采用應(yīng)力云圖顯示，結(jié)果直觀，應(yīng)力云圖中應(yīng)力單位為Pa。顯示置值比取75%（Ave Crit：75%）。

3.1 節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)環(huán)處的應(yīng)力分布

圖3和圖4是加強(qiáng)環(huán)處的等效米塞斯應(yīng)力（S.Mises））云圖，從圖中可以看出當(dāng)梁上荷載加到40，90 k N時(shí)，加強(qiáng)環(huán)上垂直于梁方向90°范圍內(nèi)的等效應(yīng)力值非常小。

圖3 上翼緣加強(qiáng)環(huán)處應(yīng)力云圖Fig.3 Stress nephogram on the reinforced loop of the top flange

圖4 下翼緣加強(qiáng)環(huán)處應(yīng)力云圖Fig.4 Stress nephogram on the reinforced loop of the lower flange

3.2 沿梁方向的縱向應(yīng)力分布

圖5 至圖7是梁端荷載為40，90 k N時(shí)縱向應(yīng)力S.Sll云圖。從圖中可以清楚地看到：梁上翼緣主要受拉，下翼緣主要受壓，上翼緣附近幾乎為0，是組合梁中和軸所在位置；沿梁截面從上至下，逐漸由受拉區(qū)過(guò)渡到受壓區(qū)，分層明顯。下翼緣與加強(qiáng)環(huán)交界邊緣處最先屈服，之后隨著荷載的增加，屈服面向腹板中間和梁端擴(kuò)大。

圖5 上翼緣縱向應(yīng)力分布Fig.5 Longitudinal stress distribution at the top flange

圖6 腹板縱向應(yīng)力分布Fig.6 Longitudinal stress distribution of the ventral plate

圖7 下翼緣縱向應(yīng)力分布Fig.7 Longitudinal stress distribution of the lower flange

3.3 混凝土柱三向受壓的應(yīng)力狀態(tài)

圖8 是梁端荷載為90 kN時(shí)混凝土柱的應(yīng)力云圖，從圖中可以看出核心混凝土基本上處于三向受壓的應(yīng)力狀態(tài)。而與型鋼梁連接處的鋼管受力復(fù)雜，應(yīng)力較大。

圖8 混凝土柱應(yīng)力分布圖Fig.8 Stress of concrete column

3.4 混凝土板應(yīng)力分布

圖9 是在梁端加載90 k N時(shí)，混凝土翼板底面縱向應(yīng)力分布。從圖中可以看出，混凝土板與栓釘接觸的部分壓應(yīng)力比較大，其余部分受拉力，達(dá)到了混凝土屈服拉應(yīng)力。

圖9 混凝土板90 kN時(shí)應(yīng)力分布圖Fig.9 Stress of concrete slab under the loading of 90 kN

3.5 鋼筋應(yīng)力分布

圖10 是在梁端加載到90 k N時(shí)，上層縱向鋼筋的應(yīng)力圖，鋼筋以桁架單元模擬，所以只有軸力。從圖中可以看出，靠近節(jié)點(diǎn)區(qū)的鋼筋應(yīng)力最大，基本已經(jīng)屈服。

圖10 上層縱筋90 k N時(shí)應(yīng)力分布圖Fig.10 Stress of top longitudinal bar under the load of 90 kN

4 結(jié)論

本文利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)加強(qiáng)環(huán)式鋼管混凝土柱-鋼混凝土組合梁節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了模擬分析。主要結(jié)論如下：

（1）梁-鋼管混凝土柱節(jié)點(diǎn)在梁下翼緣與加強(qiáng)環(huán)交界邊緣處最早受壓屈服，屈服面從此處向梁下翼緣、腹板擴(kuò)散，此處應(yīng)力變化非常明顯，是節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)；

（2）核心混凝土柱在受力過(guò)程中，基本處于三向受壓狀態(tài)，混凝土性能與單軸向受壓相比有顯著改善；

（3）節(jié)點(diǎn)區(qū)的鋼筋受力明顯，在沿混凝土翼板寬度方向，鋼筋受力呈逐漸減小趨勢(shì)。

［1］ 鐘善桐.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)（第三版）［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2003.

［2］ 韓林海，楊有福.現(xiàn)代鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004.

［3］ 宋彬彬，付功義，虞曉文.圓鋼管混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)有限元分析［J］.低溫建筑技術(shù)，2005，（2）：49-50.

［4］ 張 譽(yù).混凝土結(jié)構(gòu)基本原理［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.

［5］ ELREMAILY A，AZIZINAMINI A.Design Provisions for Connections between Steel Beams and Concrete Filled Tube Columns［J］.Journal of Constructional Steel Research，2001，（077）：971-995.

Finite Element Stress Analysis on Joint of Steel-Concrete

ZHANG Yong-mei，ZENG Xiao-wen

（College of Civil Engineering and Urban Construction，Jiujiang University，Jiujiang 332005，China）

The steel-concrete composite structure has been used in high-storeyed buildings and over high-storeyed buildings of civil engineering recently.A variety of node types have been adopted in engineering practices.In the framework design，different kinds of node are commonly assumed to be rigid or hinge joint，which possess different node characteristics.Under certain loading condition，the joint node of beam-column steel concrete are simulated using the finite element software ANSYS.Main conclusions are represented as follows：（1）In the junction of the lower flange in the beam and the reinforced loop of the composite beam-column，a yield area occurs first，and then the zone spreads toward the lower flange of the beam and ventral plate，where the change of stress is distinct.（2）The concrete column is in compressive state basically.（3）Steel reinforcements are forced obviously in the node area and forces decrease gradually along the width of the flange plate.

composite joint；ANSYS；finite element analy sis

TU375

A

1001-5485（2009）07-0066-03

2009-02-14；

2009-03-27

張?jiān)伱罚?972-），女，湖北荊門(mén)人，實(shí)驗(yàn)師，主要從事結(jié)構(gòu)性能實(shí)驗(yàn)研究，（電話）13407027451（電子信箱）zengxwzxw＠sohu.com。

（編輯：劉運(yùn)飛）

·簡(jiǎn)訊·

長(zhǎng)江科學(xué)院打響國(guó)家“十一五”膨脹土課題攻堅(jiān)戰(zhàn)

2009年6月13日，國(guó)家“十一五”科技支撐項(xiàng)目之“膨脹土地段渠道破壞機(jī)理及處理技術(shù)研究”課題階段成果專題討論會(huì)在河南省南陽(yáng)市召開(kāi)。專題討論會(huì)由長(zhǎng)江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室組織。

專題討論會(huì)對(duì)長(zhǎng)江科學(xué)院完成的膨脹土（巖）物理力學(xué)特性試驗(yàn)、物理模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)原型試驗(yàn)及膨脹土渠坡穩(wěn)定分析成果進(jìn)行了系統(tǒng)的對(duì)比分析和討論。會(huì)議認(rèn)為，經(jīng)過(guò)多學(xué)科集中攻關(guān)研究，課題組在膨脹土（巖）地段渠道破壞機(jī)理、膨脹土（巖）渠坡穩(wěn)定分析及數(shù)值模擬方法、膨脹土渠坡處理理念和處理方案現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證等方面已取得重大突破。

（摘自《長(zhǎng)江科學(xué)院網(wǎng)》）