圆形钢管混凝土柱框架典型节点受力性能分析

王庆江

圆形钢管混凝土柱框架空间节点连接梁、柱和支撑等关键构件，受力性能复杂。目前对于在GB 50017-2003《钢结构设计规范》、JGJ 99-2015《高层民用建筑钢结构技术规程》、GB 50936-2014《钢管混凝土结构技术规范》中未进行设计规定的节点，普遍先采用有限元分析方法进行受力分析，再根据分析结果判定节点域是否满足承载力要求[1-3]。

笔者以天津水泥工业设计研究院有限公司某项目中的圆形钢管混凝土柱框架结构典型节点为研究对象，采用有限元分析软件ANSYS，分类建立了节点有限元模型，针对圆形钢管混凝土柱框架复杂节点受力性能进行了非线性有限元分析。同时，根据分析结果对节点的设计给出了建议。

1　节点分类

根据圆形钢管混凝土柱框架结构节点构造形式将框架节点分为5类，如表1所示，各类节点构造如图1所示。

表1　节点分类及模型编号

图1　典型节点构造图

以类型1节点为例说明连接构件规格，类型1包括7个节点，主要为框架边柱节点。该类节点由4根梁、1根支撑、上下柱、节点板、肋板和端板组成，其中L代表梁，Z为柱，ZC为支撑，J为支撑节点板，JJ为加劲板。7个节点主要连接构件截面规格如表2所示。

2　节点有限元模型建立

2．1　有限元模型

节点区域选择梁、柱反弯点位置作为节点边界，即柱长度取为层高的1/2，梁长度取为主梁跨度的1/2[4]，建立节点有限元模型，钢管壁、钢梁及板件采用壳单元Shell181模拟，混凝土采用体单元Solid45模拟[5]，如图2所示。柱脚刚接，约束柱底面节点的全部自由度。提取整体结构计算模型在不同工况下的内力计算结果，施加在节点模型上，轴力通过杆件截面处的节点施加，弯矩、剪力通过在连接构件端截面定义刚性面和质量点的方式施加。

2．2　材料本构

支撑钢材为Q235，其他连接构件和板件均为Q345，钢材弹性模量 2．06×105N/mm2，泊松比 0．31；混凝土为C40，弹性模量3．25×104N/mm2，泊松比取0．20。

钢管混凝土中钢材选用双线性随动强化本构模型，该模型服从VON-MISES屈服准则，强化模量取为弹性模量的 0．01 倍，失效应变取为 0．6，本构关系如图 3所示。

钢管混凝土中混凝土采用典型的Tresca屈服准则的摩尔库伦模型，材料模型选择模拟平面屈服应力与压力模型，参考损伤与失效的双屈服面模型的参数取值方法加以合理简化。

表2　类型1节点连接构件规格，mm

图2　节点有限元模型

图3　钢材本构

2．3　粘结滑移

钢筋和混凝土之间的抗滑力由化学胶结力、机械咬合力和钢管与混凝土接触面之间的摩擦力三部分组成[6]，其中钢管与混凝土界面粘结强度受多方面的影响，混凝土轴心抗压强度、钢管径厚比、钢材屈服强度、轴压比和构件长细比、混凝土的浇注方式及养护条件均是较重要的影响因素。笔者以构件平均粘结应力和构件端部滑移的关系作为粘结滑移本构关系[7]，初始时刻钢管与核心混凝土之间处于固连状态，当接触应力σn和剪应力σs满足式（1）时固连作用失效，钢管和核心混凝土之间可以分离和滑移，失效准则如图4所示[8]。

图4　固连失效准则

式中：

σn——法向接触应力

σs——切向接触应力

NFLS——法向失效拉应力

SFLS——切向失效应力

3　节点受力性能分析

3．1　荷载作用

节点受力分析时主要考虑了以下荷载工况：

（1）永久荷载起控制作用的荷载效应组合（工况1）：

（2）可变荷载起控制作用的荷载效应组合（工况2）：

（3）考虑地震作用的荷载效应组合（工况3）：

其中：

SGK——永久荷载标准值的效应

SQK——可变荷载标准值的效应

SWK——风荷载标准值的效应

SGE——重力荷载代表值的效应

SEhk——水平地震作用标准值的效应

SEvk——竖向地震作用标准值的效应

对五类节点52个模型分别进行分析，分析其在三种工况下的受力性能，对于连接有支撑的1～4类节点，分别考虑设置与未设置加劲板两种情况。

3．2　受力性能分析

提取各节点3种工况下的计算结果，各类型最不利节点的应力最大值如表3所示。

表3　各类型最不利节点应力最大值，N/mm2

以类型1节点为例进行说明，类型1中7个节点三种工况下的应力最大值如表4所示。

由表4可知，节点6为类型1最不利节点，其应力最大位置为梁与环板连接处，整体及局部应力云图如图5所示。此时节点6节点域受力情况如表5所示。

图5　节点6应力云图（工况1）

表5　节点6相关构件和板件应力最大值*，N/mm2

经过对类型1节点的受力分析，7个节点应力均未超过设计强度，节点承载力满足要求。

通过52个节点的分析可知，节点受力最不利位置主要为环板与框架梁连接处。其原因是，框架梁根部受力且与环板连接位置框架梁截面发生突变，连接位置易出现应力集中。因此，受力较大的框架梁节点的加强环板建议做成弧形，梁高改变处坡度尽量做缓。

3．3　加劲板影响分析

5类节点中，类型1～类型4节点连有支撑，支撑连接处，节点板两侧的加劲板对节点板提供一定的侧向刚度，对比分析设置与未设置加劲板节点的受力性能，考察加劲板对节点受力的影响。各类型节点中最不利节点加设和不加设加劲板时应力最大值对比如表6所示。以类型1节点为例，加设和不加设加劲板情况下计算结果对比如表7所示。

表6　各类型最不利节点设置和未设置加劲板应力最大值对比，N/mm2

表7　类型1节点设置和未设置加劲板应力最大值对比，N/mm2

图6　节点5节点板和支撑应力云图

7个节点中支撑连接角度（支撑与框架柱所成夹角）从30°～45°不等，其中5号节点支撑连接角度为30°，7号节点支撑连接角度为45°，以节点5和节点7为例进行分析说明。相较于设置加劲板时，未设置加劲板时节点板应力最大值变化不大。节点5和节点7设置与不设置加劲板时节点板和支撑应力云图如图6、图7所示。图中所示各区域应力变化如表8、表9所示。

由以上分析可知，对于节点5，区域1设置加劲板时应力最大，未设置加劲板时应力值几乎不变，其他区域设置加劲板时应力较小，未设置加劲板时应力值有所增加，但应力均未达到节点板屈服强度；对于节点7，区域1和区域3是否设置加劲板应力变化不大，区域6应力变化最大，由25．5N/mm2增大为93．4N/mm2。

类型2、类型3和类型4节点中部分节点存在以下不同于类型1节点的情况。未设置加劲板时，节点板进入塑性，由此可知加劲板的设置能够有效改善节点板的受力性能。表10列出当节点板进入塑性时，加设和不加设加劲肋两种情况下节点板应力最大值。

图7　节点7节点板和支撑应力云图

表8　节点5设置和未设置加劲板应力对比，N/mm2

表9　节点7设置和未设置加劲板应力对比，N/mm2

通过46个连接支撑节点的分析结果，总结加劲板的设置原则。未设置加劲板时节点板应力存在发生塑性破坏的情况，加劲板的设置能够较大程度地减小节点板应力，支撑内力越大的节点连接支撑处，加劲板的作用效果越显著。由表10可知，对于支撑内力＞2 000kN的节点，连接支撑的位置必须设置加劲板以保证节点满足承载力要求。

4　结论

经过对圆形钢管混凝土柱框架结构52个典型节点受力性能的分析，得到以下结论：

（1）节点承载力均满足设计要求。节点受力最不利位置为环板与框架梁连接处，对于连接受力较大框架梁的节点建议柱环板做成弧形，梁高改变处坡度尽量做缓。

表10　未设置加劲板时进入塑性节点应力最大值

（2）连接支撑的节点，加劲板对节点受力有一定影响，尤其对节点板和支撑的影响最为显著。建议对于所连支撑的内力＞2 000kN的节点均设置加劲板，以保证节点域满足承载力要求。

参考文献：

[1]尹越，陈志华．水泥圆形钢管混凝土柱预热器钢塔架优化设计研究[J]．工业建筑，2008，38（5）：109-112．

[2]GB50017-2003，钢结构设计规范[S]．

[3]CEN．Pr EN 1998-1：2003 Euro code 8（Stage 49 Draft No．6）：Design of structures for earthquake resistance[S]．Brussels：2003．

[4]SURANAKS．Geometrically nonlinear formulation for curved shell elements[J]．InternationalJournalforNumericalMethodsin Engineering,1983，(19)：581-615．

[5]杨娜，沈世钊．板壳结构屈曲分析的非线性有限元法[J]．哈尔滨工业大学学报，2003，35（3）：338-341．

[6]薛立红，蔡绍怀．钢管混凝土柱组合界面的粘结强度[J]．建筑科学，1996，（3）：22-28．

[7]ANSI/AISC 341-05．Seismic provisions for structural steel buildings[S]．

[8]张福．水泥厂圆形钢管混凝土柱框架结构抗震性能分析[D]．天津：天津大学，2012．■