基于ABAQUS的斜交网格转换层节点受力性能有限元分析

郭淦良

(华南理工大学审计处，广东广州 510640)

基于ABAQUS的斜交网格转换层节点受力性能有限元分析

郭淦良

(华南理工大学审计处，广东广州 510640)

为了解斜交网格中Y型转换层节点的受力性能，以深圳某超高层建筑交叉网格筒体结构为研究对象，采用ABAQUS 软件对基础与首层转换层Y型节点进行了正常使用条件下的数值模拟，分析带内隔板方钢管混凝土柱-钢梁刚性节点的受力和变形特征，验证其构造的合理性。数值模拟结果表明：加载过程中，节点核心区变形不显著，斜柱将先于节点区破坏，节点区将能有效传递斜柱内力，起到良好的联结作用，满足节点承载力大于构件承载力的强节点设计原则。

钢管混凝土；斜交网格；转换层节点；ABAQUS有限元分析

矩形钢管结构节点形式简单，结构外形美观，已得到广泛应用，国内外对支、主管直接焊接的矩形钢管结构节点的受力性能有较多的研究[1-6]。带内隔板的矩形钢管混凝土柱与钢梁连接的节点构造已被中国《矩形钢管混凝土结构技术规程》[7]列为推荐形式。国内外学者对钢管相贯混凝土节点进行了大量的试验研究和理论分析，并对多种类型的节点提出了承载力计算经验公式[8-10]。但这些研究主要是针对垂直正交节点，对多向斜交节点的相关研究报道较少。为验证矩形钢管混凝土斜交网格转换层节点构造的合理性及是否满足设计承载力要求，促进该结构在工程中的应用，本文以深圳某超高层建筑斜交网格筒体结构的基础与首层转换层Y型节点为研究对象，采用ABAQUS软件对该节点进行有限元分析，分析复杂节点中内部混凝土及横隔板的受力变形，揭示此类节点受力机理，探讨主管内填混凝土及横隔对矩形钢管节点性能的改善。

1 建立模型

选取某实际工程的矩形钢管混凝土转换层交叉柱节点作为研究对象，分析模型与实际节点几何尺寸相似比选为1∶3，荷载相似比为1∶9，节点的梁柱长度综合考虑受力反弯点和后期实验加载设备和空间的限制而确定，能够反映原型节点的强度和刚度。该节点共汇交了3根矩形钢管混凝土柱和2根H型钢梁，下柱为竖直柱，与梁正交，上柱为单向倾斜柱，与水平方向夹角约67°，整个节点模型左右对称。节点建模时，在两斜柱端放置刚度很大、厚度40 mm的垫块，通过施加与该垫块耦合的集中力来对杆件进行轴压加载。

试件三维模型及杆件编号和截面尺寸分别如图1和图2所示。

图1 转换层节点三维模型Fig.1 3D model of transfer joint

图2 模型杆件编号及截面尺寸Fig.2 Code and cross-sectional dimension of model pole

节点钢材设计强度为Q345B，管内混凝土设计标号为C60，外钢管采用厚度为20 mm的钢板，节点核心区内部采用纵、横向肋板及水平隔板进行局部加强，加强措施如图3所示。

图3 转换层节点试件加强措施示意图Fig.3 Strengthen measures of transfer joint

1.1钢材的弹塑性本构模型

钢材采用ABAQUS自带的弹塑性模型，该模型采用Von Mises 屈服准则和等向强化法则，能较好地模拟低碳钢的弹塑性性能。其应力-应变关系采用三折线模型加以模拟[11](见图4)。

图4 钢材应力-应变关系图Fig.4 Stress-strain curve of steel

(1)

弹性模量取为2.06×105MPa，弹性段泊松比取为0.3。

1.2混凝土的本构模型

节点内的混凝土采用ABAQUS提供的塑性损伤模型(damage plasticity model)。塑性损伤模型适用于混凝土等准脆性材料，它是在LUBLINER等提出的模型的基础上建立的。

在ABAQUS塑性损伤模型参数输入时，本文采用的核心混凝土单轴应力-应变关系表达式见式(2)[12]。混凝土的应力-应变关系图见图5。

(2)

式中x=ε/εp,y=σ/fc,β0的取值可根据混凝土的强度等级查文献[13]中的相关参数表。

图5 混凝土应力-应变关系图Fig.5 Stress-strain curve of concrete

1.3有限元网格划分

合理的网格划分不仅能使计算结果取得较好的精度，而且能大大减少计算工作量。针对底部转换节点模型的特点，远离节点核心区的杆件选用8节点6面体规则单元，内部混凝土也全部选用8节点6面体单元，形状复杂的节点水平内隔板选用10节点4面体单元。有限元模型网格划分见图6。

图6 有限元模型网格划分Fig.6 Finite element model meshing

混凝土与钢管之间认为是牢固黏结的，相互间没有相对黏结滑移，故混凝土外表面与外钢板之间采用绑定(tie)约束，内隔板嵌入混凝土(embedded)内部，以保证与混凝土共同受力。由于实际构件中钢梁和柱子是焊接在一起的，故有限元分析建模时，使梁和柱共节点。节点梁柱端接近于反弯点，为了重点考虑节点核心区的受力变形特征，特使钢梁端和下柱端固结，约束6个方向的自由度[13]。

1.4节点模型有限元计算和分析

该缩尺节点相应的设计荷载为2 000 kN，为了评价该节点的受力性能，分别考虑2种加载方式：①对称加载，两斜柱端同步加载至7 000 kN，考查节点在对称荷载作用下的受力性能；②非对称加载，两斜柱同步长分别加载至7 000 kN和3 500 kN，考查节点在非对称荷载下的受力和变形特征。

1.4.1 对称加载有限元分析结果

模型节点在对称同步加载下柱端荷载-位移曲线见图7。从图7可看出，节点在达到设计荷载2 000 kN时没有屈服，柱端最大位移是0.31 mm，受力到7 000 kN时仍没屈服，此时加载端的位移为1.12 mm。

图7 对称加载下柱端荷载-位移曲线Fig.7 Load-displacement curve of column end under symmetrical load

计算求得节点在对称加载时两柱端均加至7 000 kN荷载下的Mises应力云图见图8。

图8 对称荷载下有限元分析结果Fig.8 Finite element analysis results under symmetrical load

转换层节点对称加载模式下，两加载端均加载至7 000 kN时，整个节点的应力最大处集中在加载区域，内部水平隔板在加载端承受很大的力，大大减小了内部混凝土端部的应力。外钢管和内隔板在节点核心区的应力相对较小，内部混凝土在节点核心区的转角处出现应力集中现象。两上柱(C1，C2)加载端部及柱根部局部屈服，整个节点并未达到其屈服承载力，仍能继续加载。节点的变形集中在加载区域，由于隔板和钢梁的约束作用，节点核心区的变形很小。

1.4.2 非对称加载的有限元分析结果

模型节点在非对称同步加载下柱端荷载-位移曲线见图9。从图9可看出，节点在达到设计荷载2 000 kN和1 000 kN时没有屈服，柱端最大位移分别是0.29 mm和0.16 mm，受力分别到7 000 kN和3 500 kN时仍没屈服，此时加载端的位移分别为1.06 mm和0.56 mm。

计算求得节点非对称加载在C1柱端加至7 000 kN(C2柱相应的荷载为3 500 kN)荷载下的Mises应力云图，见图10。

转换层节点非对称加载下，C1柱端加至7 000 kN (C2柱相应的荷载为3 500 kN)时，整个节点的应力最大处集中在7 000 kN加载端区域，内部水平隔板在加载端承受很大的力，大大减小了加载端内部混凝土的应力。在7 000 kN的作用线附近外钢管应力较大，混凝土和内隔板在节点核心区的应力相对较小，内部混凝土在节点核心区的转角处出现应力集中现象。C1加载力作用线附近区域的外钢板、内隔板及混凝土均出现局部屈服。整个节点并未屈服，仍能继续加载。节点的变形集中在7 000 kN加载区域，由于力的传递作用，节点核心区在3 500 kN加载侧的变形相对另一侧的变形稍大。整个节点由于不对称受力，两斜柱夹角位移较大，出现了一定的扭转。

图9 非对称同步加载下柱端荷载-位移曲线Fig.9 Load-displacement curves of column ends under asymmetric loads

图10 非对称荷载下有限元分析结果Fig.10 Finite element analysis results under asymmetrical loads

2 结 论

本文通过对某高层建筑带内隔板的转换层Y型方钢管混凝土柱-钢梁刚性节点试件有限元分析，研究了节点在对称加载和非对称加载情况下的力学性能，得到了如下主要结论。

1)对于对称加载和非对称加载2种工况，转换层节点的屈服程序均是杆件先屈服，节点核心区随后局部屈服，节点总体能实现“强节点-弱杆件”的抗震要求。在加载至设计荷载2 000 kN时，整个节点均处于弹性工作状态。至7 000 kN时，节点核心区塑性发展还有很大空间，由此可以推断该节点的强度较高，受力比较合理，延性较好，安全储备较高，使用该节点具有一定的可靠性和实用性。

2)节点域内隔板的受力性能良好，保证在内隔板的有效净截面大于梁的翼缘截面时，内隔板不会发生破坏，破坏只发生在柱梁端。

3)有限元分析结果显示，梁柱连接处内部混凝土的应力集中现象严重，若采用圆角的连接构造方式，可有效改善内部混凝土的受力性能。

4)尽管水平隔板在节点受力过程中应力并不大，但鉴于该结构体系为一个新兴体系，杆件体量大且无过多赘余联系，提高节点的安全储备意义重大。另外，转换层节点承上启下，对该节点进行局部加强是完全必要的，因此，建议底部转换节点仍然保留加劲肋。

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Finite element analysis on mechanical behavior of transfer joint used in obliquely crossing lattice based on ABAQUS

GUO Ganliang

(Auditing Division, South China University of Technology, Guangzhou Guangdong 510640, China)

In order to study the mechanical behavior of the Y-shaped joints in the oblique crossing lattice, the numerical simulations are carried out using the ABAQUS software on a transfer joint in obliquely crossing lattice in one extra high-rise structure in Shenzhen. The stress state and deformation behavior of concrete-filled square tube column and steel beam rigid joint with internal diagrams are analyzed. The results of the numerical simulation show that in the loading process， the deflection of the joint core is insignificant under good connection, the joint core is able to deliver the internal force effectively before the damage of the oblique column occurs, and it meets the requirement of "strong joint, weak column"．

concrete filled steel tube (CFST); obliquely crossing lattice; transfer joint; ABAQUS FEA

1008-1534(2014)04-0281-05

2014-03-10;

2014-03-31；责任编辑：冯 民

郭淦良(1967-)，男，广东广州人，工程师，硕士，主要从事工程项目管理和工程跟踪审计方面的研究。

E-mail:13808889423@139.com

TU973.17；TU317.1

A

10.7535/hbgykj.2014yx04003

郭淦良.基于ABAQUS的斜交网格转换层节点受力性能有限元分析[J].河北工业科技,2014,31(4):281-285. GUO Ganliang.Finite element analysis on mechanical behavior of transfer joint used in obliquely crossing lattice based on ABAQUS[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2014,31(4):281-285.