矩形钢管混凝土梁柱节点加强的数值模拟和对比分析

姚斯友 （安徽富煌建筑设计研究有限公司，安徽 合肥 230088）

1 引言

装配式钢结构的大力推广引发了一系列细部设计的探讨[1]，使原本在混凝土设计中不存在的问题暴露出来，其中包括梁柱的节点设计，其作为钢结构设计重要的组成部分，一直是设计师们重点关注的对象。

近些年随着业主要求的复杂化和平面布局的特殊化，矩形钢管混凝土柱的梁柱节点愈发成为常见的节点形式[2]。然而这种形式的节点在构造上便有天然的劣势，柱截面垂直长边方向称为弱轴，架在弱轴上的梁宽通常达不到弱轴的宽度，且沿弱轴方向缺乏有效支撑，这就导致弱轴方向的节点极易先于强轴方向在梁柱连接处屈服，柱身也容易起拱或拉坏，故弱轴方向一般成为设计的控制方向[3]。

对此，常见的做法是加强节点区域的梁使其成为牛腿，并在柱内部相应位置添加加颈板，加颈板的设置使得柱身有了侧向支点，不容易失稳，牛腿自身抵抗形变的能力增强。由此节点区域整体刚度变大，梁优先在构件处破坏，实现了“强节点弱构件”的目标。

图1 矩形钢管混凝土节点的原始尺寸

加强节点区域常见做法有加厚翼缘、加厚腹板、根部加腋等[4]，其作用效应的侧重点存在一定差异[5]，了解这些加强措施的具体作用，从而结合现场情况和经济性，对如何选出最优的方案具有重要意义。

2 矩形钢管混凝土梁柱节点模型

本文通过有限元软件ANSYS计算某一矩形柱节点，以此计算结果为基本工况添加4种加强牛腿的措施，分别比较各种措施下模型关键点处的应力差异，分析应力分布形式的特征，选出保护节点最有力的措施。

某一矩形钢管混凝土梁柱节点的原始尺寸如图1。

模拟中以弱轴梁和柱建立十字形节点模型，以实体单元solid65模拟混凝土，实体单元20node186模拟钢材，均采用弹塑性本构TB模型，其中混凝土采用多线性随动强化模型，钢材双线性随动强化模型，智能划分网格，精度为6。每个梁长取2m，柱高3m。

后续所有梁柱节点模型的荷载、边界相同，具体如下。

荷载：①每根梁端加60kN集中力，方向左梁向下，右梁向上；②根据0.4的轴压比，柱顶部的节点加共3500kN集中力；③自重，钢材重度取78kN/m3，混凝土取25kN/m3。

边界：柱底铰接，柱顶不限制竖向位移，梁端自由。

原始模型作为参照模型如图2、3所示，文中应力的单位均为MPa。

图2 原始模型线框

图3 原始模型边界和加载

为方便叙述，把模型梁变截面处的上翼缘一定范围称为1处，上翼缘与根部连接的一定范围称为2处，后文中的1、2处均位于相应位置。计算结果表明原始模型 1、2处的平均应力为168.3MPa和191.8MPa，若继续加载，破坏将首先出现在牛腿根部，非设计初衷。

图4 四种工况的应力云图

3 四种工况的应力分析

在原始模型上分别做四种措施，每次只改变一个参数，分别是：a.箱型梁长度增加300mm；b.箱梁翼缘板厚增加至20mm；c.加劲板通入根部；d.类梁端加腋。类梁端加腋指的是平牛腿上翼缘水平加厚 14mm，底 200mm，高 150mm的三角形加颈板，底边齐柱边。

从图4可以明显地看到：a工况应力流的过渡平缓而流畅，应力集中现象不如其他三种工况明显，且整体的应力较小，但2处应力大于1处，低荷载下是比较合理的受力模型，高荷载下根部先破坏，与预期不符；b、c工况的应力云图较接近，整体应力大小差距不大，但c工况1、2处已有黄线连通一部分区域，代表较大应力已经先于b工况开始贯通，故塑性开展的速度明显快于b工况；d工况由于加腋的三角板承担了一部分应力，使得根部的应力减小，在实际允许的情况下不失为一个值得考虑的做法。

将四种工况分别与原始模型计算结果比较，初步得到各自1、2处应力减小的比率。

从表1中的数据可以得到，四种措施均减小了两处的应力，但减小的程度不一。水平加腋对削弱根部应力的效果最明显，可大幅加强节点；其次是加颈板通入根部，但施工难度较大；牛腿翼缘加厚的效果也很显著，同时1处的平均应力减小了11.2%，综合能力最好；加长牛腿对2处应力的减小程度虽不如其他三者，也达到了可观的21.8%，同时1处的应力减小了24.2%，缺点是大幅加大了钢材的用量，经济性较差。

四种工况下1、2处的应力值如表2所示。

四种工况与原始模型比较得出的1、2处应力减小的比率 表1

四种工况下1、2处的应力值 表2

绘成折线图如图5所示。

图5 四种工况下1、2处的应力变化图

表2和图5表明原始模型由于2处应力大于1处，继续加载破坏首先出现在根部，a工况可同时减小1、2处平均应力，减幅大致相当，故该措施虽无法保证梁先在1处破坏，但可以延迟这两个关键点的屈服时间。b、c、d工况均可以达到理想的1处先屈服的要求，两处的应力差分别为 10.9MPa、18.3MPa和32.2MPa，呈递增关系，表明这三种措施对于防止梁先在根部破坏的能力也呈现递增的关系。故仅施加单一措施，综合考虑施工难度、成本、安全的基础上，水平加腋不失为一个好方法。

4 结语

①增加牛腿长度无法改变牛腿根部先屈服的事实，但可延迟节点整体屈服的时间。

②加厚牛腿翼缘板和牛腿中间加颈肋通入根部均可避免节点根部先屈服，但后者的塑性拓展更快且施工难度很大。

③类梁端加腋主要通过降低根部应力达到保护根部，避免其先屈服的目的，相较其他三种措施，作用更明显，经济性和可操作性更强。