基于ANSYS的复杂钢管混凝土－环梁节点承载力性能研究

吴 强钱 江，周 颖胡 凯陈

（1．同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海200092；2．中船第九设计研究院工程有限公司，上海200063）

基于ANSYS的复杂钢管混凝土－环梁节点承载力性能研究

吴 强1钱 江1，周 颖1胡 凯2陈2

（1．同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海200092；2．中船第九设计研究院工程有限公司，上海200063）

摘 要对某建筑中设计采用的复杂钢管混凝土－环梁节点利用ANSYS软件建立精细化的有限元计算模型，进行了设计工况下的承载力分析。计算结果表明，这种复杂钢管混凝土－环梁节点的极限承载力性能远高于设计水准，节点的安全裕度是足够的。分析了该形式节点的应力分布状态和损伤特征，结果表明，该节点可以达到“强柱弱梁”和“强节点、弱构件”的抗震设计要求。对关键设计参数进行了敏感性分析。本文分析结果可以为今后的类似工程设计提供参考。

关键词钢管混凝土－环梁节点，有限元数值模拟，抗震设计

Bearing Capacity Behavior Study on Com p lex CFST Ring Beam Joint Based on ANSYS

WU Qiang1QIAN Jiang1，ZHOU Ying1HU Kai2CHEN Wei2
（1．State Key Laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China；2．China Shipbuilding NDRI Engineering Co．，Ltd．，Shanghai 200063，China）

Abstract A type of complex CFST（Concrete Filled Steel Tubular）ring beam connection used in a building structure was simulated by ANSYS，the computational results agree well with the model test results．Numerical results indicate that the ultimate bearing capacity is much higher than the disign requirement，thus the safety margin is guaranteed with high confidence．The stress analysis and damage pattern were presented，it is concluded that this type of joint can satisfy the requirements of seismic fortification in the frame of“strong column and weak beam”and“strong joint and weak member”．The sensitivity analysis has been conducted to the key design parameters．Conclusions obtained in this study may provide reference to similar structural design in the future practice．

Keywords CFST ring beam joint，finite element numerical simulation，seismic design

1 引 言

近年来，钢管混凝土结构因其优良的承载性能得到越来越广泛的应用，钢管混凝土结构梁柱节点从而成为一个热点研究问题。

工程实践中已经提出多种不同的钢管混凝土梁柱节点形式，如加强环式、钢筋环绕式、劲性环绕式、钢筋贯通式、十字板式和锚定板式等。但上述节点形式存在明显的不足：采用穿心钢管形式，会损伤钢管壁；而采用非穿心钢管形式，会导致承载力和刚度不够；对现场焊接施工技术要求也比较高，技术经济性较低。钢筋混凝土环梁节点是方小丹等［1］最近新提出来的一种节点形式，该节点通过绕钢管设置一钢筋混凝土环梁来传递弯矩，在环梁与钢管的接触面处紧贴钢管外表面焊一环形钢筋作为抗剪环以传递剪力，框架梁的主筋不穿过钢管柱，仅通过锚固在环梁混凝土内，施工方便，现场焊接工作量少，钢管壁受力也较好，无开孔造成的应力集中，不需在内部对节点处钢管进行加强。

此类节点在工程实践中已得到应用，如昆明邦克广场、广州翠湖山庄［2］、广州合银广场、上海合生广场等。理论研究主要针对规则框架结构的环梁节点［3－4］。

中交集团南方总部基地（A区）总部大厦位于广州市海珠区，大厦主楼地下3层、地上43层，建筑高度为198．9 m，抗震设防烈度为7度。工程中采用了极为复杂的钢筋混凝土环梁节点形式：多根框架梁斜向汇交于节点，框架柱采用钢管混凝土叠合柱［5］。同济大学周颖等［6］选取了主楼第十五层（结构平面布置图见图1）17-B轴角柱斜交梁系节点和15-B轴边柱正交梁系节点分别进行了1∶2．5的缩尺模型节点JCC（节点构件平面图见图2，节点构件截面详图见图3）和JSC（节点构件平面图见图4，节点构件截面详图见图5）的承载力性能试验。验证了原设计承载力的安全性，为进一步探究该复杂节点的工作机理、传力路径、破坏模式以及关键设计参数影响，本文采用ANSYS软件对缩尺模型节点进行精细化有限元数值模拟。

图1　第十五层结构平面图（单位：mm）Fig．1 The 15th plan of the building structure（Unit：mm）

2 有限元模型建立

图2　JCC节点平面图（单位：mm）Fig．2 Plan of JCC joint（Unit：mm）

有限元建模时，本着与试验模型构件几何尺寸、材料强度一致的原则进行建模，在钢筋非常密集不便于网格划分的地方适当采用钢筋面积等效的方法来近似建模。梁、柱混凝土采用三维实体单元SOLID65［7］，钢筋采用杆单元LINK8，钢管采用壳单元SHELL63。柱和环梁混凝土为C60等级，框架梁混凝土为C35级，钢筋为HRB400级，钢管为Q345级型钢，数值模拟时采用对应的材料强度标准值。混凝土采用多线性随动强化模型，采用规范［8］建议的混凝土本构关系作为混凝土的单轴拉压应力－应变关系。钢筋采用双线性随动强化模型，折线上升段的斜率为钢筋本身的弹性模量，水平段为钢筋屈服后阶段。暂不考虑钢与混凝土之间的粘结滑移影响。

图3　JCC节点截面详图（单位：mm）Fig．3 Detail section view of JCC joint（Unit：mm）

图4　JSC节点平面图Fig．4 Plan of JSC joint

JCC节点有限元模型如图6所示，JSC有限元模型如图7所示。柱端为固端约束，通过在梁端设置一弹性模量近似无穷大的刚性块，将荷载施加在刚性块端部形心节点上，由刚性块将荷载均匀分配到梁端各节点。对于JCC节点，JCC-B1加载方向向下，JCC-B2加载方向向上，JCC-B3加载方向向下。对于JSC节点，JSC B1加载方向向下，JSC B2加载方向向下，JSC B3加载方向向上。

3 承载力分析

图5　JSC节点截面详图（单位：mm）Fig．5 Detail section view of JSC joint（Unit：mm）

图6　JCC节点有限元模型Fig．6 Finite element model of JCC joint

图7　JSC节点有限元模型Fig．7 Finite element model of JCC joint

图8、图9为JCC节点和JSC节点各框架梁梁端荷载位移曲线计算值与试验值的对比，从曲线特征上看，除了JSC B2框架梁以外，其余框架梁计算值与试验值均符合良好。JSC B2的有限元分析结果比试验结果高了44%，原因主要是JSC B2上部钢筋比较多，导致试验时钢筋锚固效果不好，进而导致试验中发生明显的锚固破坏，如图8所示。

图8　JSC B2试验破坏情况Fig．8 Failure of JSC B2 in the test

根据有限元模型计算出来的梁端承载力结合臂长和几何相似比（S），计算出有限元模型反推回原型节点的各框架梁近节点处截面抗弯承载力，计算公式为Mp＝MM／SM＝MM／S3，计算结果见表1和表2，与原设计值对比表明：原设计的安全裕度是足够的。

4 混凝土损伤分析

在ANSYS中，混凝土通过SOLID65单元受拉开裂来描述混凝土材料力学损伤行为，本文提取了JCC和JSC在初始开裂和裂缝完全发展两个时刻的损伤情况，参见图11、图12（图中标记“O”表示受拉开裂）。

表1　J C C节点框架梁抗弯承载力Table 1 Bend capacity of beams of JCC joint

表2　J S C节点框架梁抗弯承载力Table　2 Bend capacity of beams of JSC joint

图9　JCC节点梁端荷载位移曲线Fig．9 Curves for force vs．displacement of JCC joint

图10　JSC节点梁端荷载位移曲线Fig．10 Curves for force vs．displacement of JSC joint

初始开裂发生在框架梁端部受拉区和环梁交界处，随着荷载的增大，裂缝沿框架梁长度方向迅速发展，环梁受拉区也开始出现裂缝，并不断发展，环梁与叠合柱交界转角处出现少量裂缝。裂缝发展的趋势和试验观测到的现象是一致的，但是有限元计算得到的JCC-B1、JCC-B2、JCC-B3初始出现裂缝时的荷载水平分别是30 kN、20 kN、18 kN，而试验观测得到的数据分别是95 kN、40 kN、50 kN。有限元计算得到的JSC B1、JSC B2、JSC B3初始出现裂缝时的荷载水平分别是25 kN、30 kN、18 kN，而试验观测得到的数据分别是70 kN、40 kN、60 kN。原因可能是肉眼观测精度有限，不易发现混凝土内部的裂缝和最开始出现的微裂缝，而有限元计算不受人为观测因素影响。

图11　JCC节点混凝土裂缝Fig．11 Cracks of concrete of JCC joint

图12　JSC节点混凝土裂缝Fig．12 Cracks of concrete of JSC joint

5 应力状态分析

为考察节点内部主要受力钢筋和混凝土的应力状态，分析了各组件不同荷载水平下的的应力数值，图13－图16（曲线横坐标单位p为节点极限承载力）为JCC节点和JSC节点各组件在不同荷载水平下的应力。

图13　JCC节点钢筋应力Fig．13 Stress of rebar of JCC joint

从图中曲线特征可以看出，当混凝土开始开裂时，受拉纵筋拉应力迅速增长，随着荷载水平增大，框架梁纵筋应力水平增长速度明显快于环梁纵筋，当框架梁纵筋进去屈服后，环梁受拉纵筋应力增长速度开始加快，但是当节点达到极限承载力时，环梁纵筋并没有进入屈服。随着荷载水平增大，环梁混凝土的主压应力增长速度明显高于框架梁混凝土。

节点达到极限承载力时，钢管内部混凝土和钢管壁的应力水平仍然很低，远小于屈服应力。

图14　JCC节点混凝土应力Fig．14 Stress of concrete of JCC joint

图15　JSC节点钢筋应力Fig．15 Stress of rebar of JSC joint

图16　JSC节点混凝土应力Fig．16 Stress of concrete of JSC joint

6 参数分析

为进一步考察该复杂钢管混凝土环梁节点关键设计参数的影响，本文基于JSC节点对径宽比（环梁直径／环梁宽度）n、框架梁纵筋配筋率ρKL和环梁纵筋配筋率ρHL这三个设计参数进行了敏感性分析。

图17给出了框架梁配筋率、环梁纵筋配筋率一定的条件下，径宽比n（保持环梁直径不变，改变环梁宽度）对梁端荷载的影响。随着径宽比减小，梁端部荷载增加，但增加幅度并不大，表明径宽比的减小使节点受弯承载力增大，但增大幅度并不显著。

图17　不同n对梁端荷载的影响Fig．17 Influence of n on load capacity at beam end

图18（图中括号内分别为JSC B1、JSC B2和JSC B3的纵筋配筋率）给出了径宽比、环梁纵筋配筋率一定的条件下，框架梁纵筋配筋率ρKL对梁端荷载的影响。随着框架梁纵筋配筋率增大，梁端荷载显著增加，节点受弯承载力增大。

图19给出了径宽比、框架梁纵筋配筋率一定的条件下，环梁纵筋配筋率ρHL对梁端荷载的影响。可以看出环梁纵筋配筋率对梁端荷载影响不明显。

7 结论与展望

本文对某复杂钢管混凝土－环梁节点进行了精细化的有限元数值模拟并与试验结果进行比较，得出以下结论：

图18　不同ρKL对梁端荷载的影响Fig．18 Influence of ρKLon load capacity at beam end

图19　不同ρHL对梁端荷载的影响Fig．19 Influence of ρHLon load capacity at beam end

（1）计算结果与试验结果对比，两者符合良好，说明有限元模型合理、正确。计算结果表明节点极限承载力性能远高于设计水平，节点的安全裕度是足够的。

（2）斜交梁系节点JCC和正交梁系节点JSC的承载力、裂缝开展和应力状态没有显著的差别，其原因可能是由于环梁为360°各个方向同性的构件，对斜交梁系不敏感。

（3）该节点破坏时，钢管和钢管内部混凝土的应力都很小，均处于正常使用状态，表明环梁的存在没有对钢管混凝土叠合柱产生不利影响，环梁破坏不会造成柱的破坏，可以达到“强柱弱梁”的抗震设计要求。节点的破坏出现在框架梁和环梁的交界处，从梁端荷载位移曲线来看，节点表现出良好的延性，可以达到“强节点、弱构件”的抗震设计要求。

（4）初步认为环梁纵筋配筋率不是该节点承载力主要影响参数。考虑到环梁与一般框架梁的不同，环梁箍筋对该节点形式力学性能的影响有待进一步的研究。

参考文献

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基金项目：“十二五”国家科技支撑计划项目（2012BAJ13B02）；国家自然科学基金重大研究计划项目（91315301－4）联系作者，Email：jqian＠tongji．edu．cn

收稿日期：2014－05－02