钢支撑—混凝土框架体系节点分析

冯芝茂 张建勋

(1.中国核电工程有限公司，北京 100840； 2.中国中元国际工程有限公司，北京 100089)



钢支撑—混凝土框架体系节点分析

冯芝茂1张建勋2

(1.中国核电工程有限公司，北京 100840； 2.中国中元国际工程有限公司，北京 100089)

以某钢支撑—钢筋混凝土框架体系结构中支撑节点为研究对象，采用通用有限元软件ANSYS建立了模型，分析了节点在常遇地震及设防地震下的承载力，对比研究了通过增设加劲肋及加厚腹板的方式来改善节点域承载力的有效性。

钢支撑—混凝土框架，ANSYS，支撑节点，承载力

0 引言

在多层钢筋混凝土工业厂房中，由于工艺布置的需要，厂房结构布置呈现空旷少柱、平面不规则、抗侧力构件较少的特点，为了满足结构抗震的要求，常常需要布置钢支撑，与钢筋混凝土框架一起组成抗侧力体系。

钢支撑—混凝土框架体系在设计时需要按《建筑抗震设计规范》[1]中附录G的要求进行设计，但是规范中对钢支撑与混凝土连接节点处承载力计算与设计构造并不明确，并且按照常规计算方法设计也较为困难[2]。

本文以某钢支撑—钢筋混凝土框架体系结构中支撑节点为研究对象，采用通用有限元软件ANSYS进行建模、分析节点域在常遇地震及设防地震下的承载力。研究通过增设加劲肋及加厚腹板的方式来改善节点域承载力的有效性。

1 工程概况

本工程主要建筑功能为能源运行调度中心，地上5层，地下1层，高度24.0 m，结构体系为钢支撑—混凝土框架体系。抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.20g，设防地震分组为第一组，建筑场地类别为Ⅲ类。基本风压为0.45 kN/m2。钢筋混凝土框架部分混凝土等级为C35、抗震等级为一级。钢支撑采用X型布置，支撑杆件为H型钢，材质为Q345B。钢支撑竖向布置见图1，钢支撑节点详图及常遇地震设计内力见图2。

2 节点分析

2.1 建模

节点分析采用通用有限元软件ANSYS v14.5，钢板采用Shell181四节点有限应变壳单元，考虑横向剪切变形的影响，该单元包含4个节点，每个节点包括3个平动自由度和3个转动自由度。混凝土梁采用Solid45单元，该单元包含8个节点，每个节点有3个平动自由度。模型所受荷载由整体模型计算导出，施加荷载时，为避免加载点的应力集中，杆端截面建立MPC184刚性梁单元，荷载通过主节点均匀传至截面各节点。模型网格尺寸控制为50 mm，模型中包含4 916个单元、15 903个节点。单位制为N，mm。

钢筋混凝土梁截面为450×800，钢支撑截面为H400×400×26×36。混凝土的弹性模量为3.15×104MPa，泊松比为0.2。钢板的弹性模量为2.06×105MPa，泊松比为0.3，屈服强度为345 MPa。钢材本构关系采用理想弹塑性模型，在软件中设置为双线性模型，在钢材达到屈服点之后，应力不再增长。支撑节点三维有限元模型如图3所示，混凝土内部的节点板拉接钢棒如图4所示。

2.2 分析过程

1)初步分析结果。分析时，假定混凝土与钢材之间粘结无滑移,不考虑钢材焊接和内部材质不均匀导致的残余应力的影响,钢材按照第四强度理论来判断应力状态及塑性发展。钢板节点域在常遇地震(小震)下处于弹性状态，最大等效应力为176 MPa，小于屈服强度，具有较高的应力裕度，常遇地震下钢板等效应力见图5。钢板节点域在设防地震下(中震)应力达到了屈服强度，进入了塑性阶段，设防地震下钢板等效应力见图6。从图7可以看到，钢板节点域几乎全部进入塑性区，在设防地震下节点域很可能已经失效。

2)设置加劲肋。为了改善在设防地震下节点域的受力状态，在节点域加设一道加劲肋，将节点域腹板分割为更小的区域，图8为增设加劲肋后的等效应力云图，图9为设防地震下钢板塑性区，可以看出节点塑性区改善并不明显。

3)加强节点域板厚。除了在节点域增设加劲肋外，加厚节点域腹板也是一种提高节点域承载力的常用设计构造。将腹板厚度加厚至30 mm后，计算得到的设防地震下钢板等效应力云图见图10，设防地震下钢板塑性区见图11，可以看出在设防地震下节点域塑性区显著减小，节点承载力提高。因此，最终设计中，采用了加厚节点域腹板的方法来提高节点域的承载力。

3 结语

针对钢支撑—混凝土框架体系中支撑节点，通过有限元分析来验证节点设计的合理性与安全性，并得出如下结论：

1)通过有限元分析来计算节点域的承载力是可行的，可作为钢支撑—混凝土框架体系结构设计时补充验证。

2)节点域在常遇地震工况小于屈服强度的情况下，需要进一步验算设防地震下节点域的塑性发展，采用有效措施提高节点的承载力和延性。

3)增设加劲肋来提高节点域承载力的方法效果不明显。加厚节点域腹板厚度可有效提高节点域承载力。

[1] GB 50011—2010,建筑抗震设计规范[S].

[2] 齐秋平.钢支撑—混凝土框架结构在大型火电厂应用探讨[J].吉林电力，2014，42(4):22-24.

[3] 周慧敏.利用ANSYS分析钢结构节点承载力[J].四川建筑科学研究，2014，40(6):51-53.

Joint analysis in a steel brace and concrete frame structure

Feng Zhimao1Zhang Jianxun2

(1.China Nuclear Power Engineering Co., Ltd, Beijing 100840, China; 2.China IPPR International Engineering Co., Ltd, Beijing 100089, China)

It regards joint in a steel brace and concrete frame structure as the analytical object. Modeling and analysis of joint under common earthquake and design earthquake are conducted using ANSYS. The effectiveness between adding stiffener and adding thickness of web for improving the bearing capacity of joint are compared.

steel brace and concrete frame, ANSYS, joint of brace, bear

1009-6825(2017)08-0046-03

2017-01-03

冯芝茂(1987- )，男，硕士，工程师； 张建勋(1973- )，男，硕士，工程师

TU375

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