王慶江

圓形鋼管混凝土柱框架空間節(jié)點(diǎn)連接梁、柱和支撐等關(guān)鍵構(gòu)件，受力性能復(fù)雜。目前對(duì)于在GB 50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》、JGJ 99-2015《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》、GB 50936-2014《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》中未進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)定的節(jié)點(diǎn)，普遍先采用有限元分析方法進(jìn)行受力分析，再根據(jù)分析結(jié)果判定節(jié)點(diǎn)域是否滿足承載力要求[1-3]。

筆者以天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司某項(xiàng)目中的圓形鋼管混凝土柱框架結(jié)構(gòu)典型節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象，采用有限元分析軟件ANSYS，分類建立了節(jié)點(diǎn)有限元模型，針對(duì)圓形鋼管混凝土柱框架復(fù)雜節(jié)點(diǎn)受力性能進(jìn)行了非線性有限元分析。同時(shí)，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)給出了建議。

1　節(jié)點(diǎn)分類

根據(jù)圓形鋼管混凝土柱框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式將框架節(jié)點(diǎn)分為5類，如表1所示，各類節(jié)點(diǎn)構(gòu)造如圖1所示。

表1　節(jié)點(diǎn)分類及模型編號(hào)

圖1　典型節(jié)點(diǎn)構(gòu)造圖

以類型1節(jié)點(diǎn)為例說明連接構(gòu)件規(guī)格，類型1包括7個(gè)節(jié)點(diǎn)，主要為框架邊柱節(jié)點(diǎn)。該類節(jié)點(diǎn)由4根梁、1根支撐、上下柱、節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)板，JJ為加勁板。7個(gè)節(jié)點(diǎn)主要連接構(gòu)件截面規(guī)格如表2所示。

2　節(jié)點(diǎn)有限元模型建立

2．1　有限元模型

節(jié)點(diǎn)區(qū)域選擇梁、柱反彎點(diǎn)位置作為節(jié)點(diǎn)邊界，即柱長(zhǎng)度取為層高的1/2，梁長(zhǎng)度取為主梁跨度的1/2[4]，建立節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)的全部自由度。提取整體結(jié)構(gòu)計(jì)算模型在不同工況下的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，施加在節(jié)點(diǎn)模型上，軸力通過桿件截面處的節(jié)點(diǎn)施加，彎矩、剪力通過在連接構(gòu)件端截面定義剛性面和質(zhì)量點(diǎn)的方式施加。

2．2　材料本構(gòu)

支撐鋼材為Q235，其他連接構(gòu)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(dòng)強(qiáng)化本構(gòu)模型，該模型服從VON-MISES屈服準(zhǔn)則，強(qiáng)化模量取為彈性模量的 0．01 倍，失效應(yīng)變?nèi)?0．6，本構(gòu)關(guān)系如圖 3所示。

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

表2　類型1節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)件規(guī)格，mm

圖2　節(jié)點(diǎn)有限元模型

圖3　鋼材本構(gòu)

2．3　粘結(jié)滑移

鋼筋和混凝土之間的抗滑力由化學(xué)膠結(jié)力、機(jī)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(jié)強(qiáng)度受多方面的影響，混凝土軸心抗壓強(qiáng)度、鋼管徑厚比、鋼材屈服強(qiáng)度、軸壓比和構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比、混凝土的澆注方式及養(yǎng)護(hù)條件均是較重要的影響因素。筆者以構(gòu)件平均粘結(jié)應(yīng)力和構(gòu)件端部滑移的關(guān)系作為粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系[7]，初始時(shí)刻鋼管與核心混凝土之間處于固連狀態(tài)，當(dāng)接觸應(yīng)力σn和剪應(yīng)力σs滿足式（1）時(shí)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(zhǔn)則如圖4所示[8]。

圖4　固連失效準(zhǔn)則

式中：

σn——法向接觸應(yīng)力

σs——切向接觸應(yīng)力

NFLS——法向失效拉應(yīng)力

SFLS——切向失效應(yīng)力

3　節(jié)點(diǎn)受力性能分析

3．1　荷載作用

節(jié)點(diǎn)受力分析時(shí)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(yīng)組合（工況1）：

（2）可變荷載起控制作用的荷載效應(yīng)組合（工況2）：

（3）考慮地震作用的荷載效應(yīng)組合（工況3）：

其中：

SGK——永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)

SQK——可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)

SWK——風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)

SGE——重力荷載代表值的效應(yīng)

SEhk——水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)

SEvk——豎向地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)

對(duì)五類節(jié)點(diǎn)52個(gè)模型分別進(jìn)行分析，分析其在三種工況下的受力性能，對(duì)于連接有支撐的1～4類節(jié)點(diǎn)，分別考慮設(shè)置與未設(shè)置加勁板兩種情況。

3．2　受力性能分析

提取各節(jié)點(diǎn)3種工況下的計(jì)算結(jié)果，各類型最不利節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力最大值如表3所示。

表3　各類型最不利節(jié)點(diǎn)應(yīng)力最大值，N/mm2

以類型1節(jié)點(diǎn)為例進(jìn)行說明，類型1中7個(gè)節(jié)點(diǎn)三種工況下的應(yīng)力最大值如表4所示。

由表4可知，節(jié)點(diǎn)6為類型1最不利節(jié)點(diǎn)，其應(yīng)力最大位置為梁與環(huán)板連接處，整體及局部應(yīng)力云圖如圖5所示。此時(shí)節(jié)點(diǎn)6節(jié)點(diǎn)域受力情況如表5所示。

圖5　節(jié)點(diǎn)6應(yīng)力云圖（工況1）

表5　節(jié)點(diǎn)6相關(guān)構(gòu)件和板件應(yīng)力最大值*，N/mm2

經(jīng)過對(duì)類型1節(jié)點(diǎn)的受力分析，7個(gè)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力均未超過設(shè)計(jì)強(qiáng)度，節(jié)點(diǎn)承載力滿足要求。

通過52個(gè)節(jié)點(diǎn)的分析可知，節(jié)點(diǎn)受力最不利位置主要為環(huán)板與框架梁連接處。其原因是，框架梁根部受力且與環(huán)板連接位置框架梁截面發(fā)生突變，連接位置易出現(xiàn)應(yīng)力集中。因此，受力較大的框架梁節(jié)點(diǎn)的加強(qiáng)環(huán)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(jié)點(diǎn)中，類型1～類型4節(jié)點(diǎn)連有支撐，支撐連接處，節(jié)點(diǎn)板兩側(cè)的加勁板對(duì)節(jié)點(diǎn)板提供一定的側(cè)向剛度，對(duì)比分析設(shè)置與未設(shè)置加勁板節(jié)點(diǎn)的受力性能，考察加勁板對(duì)節(jié)點(diǎn)受力的影響。各類型節(jié)點(diǎn)中最不利節(jié)點(diǎn)加設(shè)和不加設(shè)加勁板時(shí)應(yīng)力最大值對(duì)比如表6所示。以類型1節(jié)點(diǎn)為例，加設(shè)和不加設(shè)加勁板情況下計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表7所示。

表6　各類型最不利節(jié)點(diǎn)設(shè)置和未設(shè)置加勁板應(yīng)力最大值對(duì)比，N/mm2

表7　類型1節(jié)點(diǎn)設(shè)置和未設(shè)置加勁板應(yīng)力最大值對(duì)比，N/mm2

圖6　節(jié)點(diǎn)5節(jié)點(diǎn)板和支撐應(yīng)力云圖

7個(gè)節(jié)點(diǎn)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(hào)節(jié)點(diǎn)支撐連接角度為30°，7號(hào)節(jié)點(diǎn)支撐連接角度為45°，以節(jié)點(diǎn)5和節(jié)點(diǎn)7為例進(jìn)行分析說明。相較于設(shè)置加勁板時(shí)，未設(shè)置加勁板時(shí)節(jié)點(diǎn)板應(yīng)力最大值變化不大。節(jié)點(diǎn)5和節(jié)點(diǎn)7設(shè)置與不設(shè)置加勁板時(shí)節(jié)點(diǎn)板和支撐應(yīng)力云圖如圖6、圖7所示。圖中所示各區(qū)域應(yīng)力變化如表8、表9所示。

由以上分析可知，對(duì)于節(jié)點(diǎn)5，區(qū)域1設(shè)置加勁板時(shí)應(yīng)力最大，未設(shè)置加勁板時(shí)應(yīng)力值幾乎不變，其他區(qū)域設(shè)置加勁板時(shí)應(yīng)力較小，未設(shè)置加勁板時(shí)應(yīng)力值有所增加，但應(yīng)力均未達(dá)到節(jié)點(diǎn)板屈服強(qiáng)度；對(duì)于節(jié)點(diǎn)7，區(qū)域1和區(qū)域3是否設(shè)置加勁板應(yīng)力變化不大，區(qū)域6應(yīng)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(jié)點(diǎn)中部分節(jié)點(diǎn)存在以下不同于類型1節(jié)點(diǎn)的情況。未設(shè)置加勁板時(shí)，節(jié)點(diǎn)板進(jìn)入塑性，由此可知加勁板的設(shè)置能夠有效改善節(jié)點(diǎn)板的受力性能。表10列出當(dāng)節(jié)點(diǎn)板進(jìn)入塑性時(shí)，加設(shè)和不加設(shè)加勁肋兩種情況下節(jié)點(diǎn)板應(yīng)力最大值。

圖7　節(jié)點(diǎn)7節(jié)點(diǎn)板和支撐應(yīng)力云圖

表8　節(jié)點(diǎn)5設(shè)置和未設(shè)置加勁板應(yīng)力對(duì)比，N/mm2

表9　節(jié)點(diǎn)7設(shè)置和未設(shè)置加勁板應(yīng)力對(duì)比，N/mm2

通過46個(gè)連接支撐節(jié)點(diǎn)的分析結(jié)果，總結(jié)加勁板的設(shè)置原則。未設(shè)置加勁板時(shí)節(jié)點(diǎn)板應(yīng)力存在發(fā)生塑性破壞的情況，加勁板的設(shè)置能夠較大程度地減小節(jié)點(diǎn)板應(yīng)力，支撐內(nèi)力越大的節(jié)點(diǎn)連接支撐處，加勁板的作用效果越顯著。由表10可知，對(duì)于支撐內(nèi)力＞2 000kN的節(jié)點(diǎn)，連接支撐的位置必須設(shè)置加勁板以保證節(jié)點(diǎn)滿足承載力要求。

4　結(jié)論

經(jīng)過對(duì)圓形鋼管混凝土柱框架結(jié)構(gòu)52個(gè)典型節(jié)點(diǎn)受力性能的分析，得到以下結(jié)論：

（1）節(jié)點(diǎn)承載力均滿足設(shè)計(jì)要求。節(jié)點(diǎn)受力最不利位置為環(huán)板與框架梁連接處，對(duì)于連接受力較大框架梁的節(jié)點(diǎn)建議柱環(huán)板做成弧形，梁高改變處坡度盡量做緩。

表10　未設(shè)置加勁板時(shí)進(jìn)入塑性節(jié)點(diǎn)應(yīng)力最大值

（2）連接支撐的節(jié)點(diǎn)，加勁板對(duì)節(jié)點(diǎn)受力有一定影響，尤其對(duì)節(jié)點(diǎn)板和支撐的影響最為顯著。建議對(duì)于所連支撐的內(nèi)力＞2 000kN的節(jié)點(diǎn)均設(shè)置加勁板，以保證節(jié)點(diǎn)域滿足承載力要求。

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