钢管混凝土与钢梁斜交节点的有限元分析

聂建国 赵楠

（清华大学土木工程系 北京 100084）

[提要] 加强环式节点是钢管混凝土柱－钢梁体系的常见连接形式，认识此类节点的受力性能对结构设计至关重要。为满足建筑结构功能的需要，钢管混凝土柱与钢梁的节点变得越来越复杂，出现了钢管混凝土柱与钢梁的斜交节点。到目前为止尚未见到对此类节点的研究报道。本文以6个多向斜交节点的试验为基础，应用有限元程序进行了数值模拟，考虑了钢管内混凝土填充高度以及钢管夹角对节点性能的影响，提出相关的设计建议。 [关键词] 组合结构 斜交节点 有限元

[Abstract] In Concrete Filled Steel Tube Column with Steel Beam system, strengthening plate ring is widely used for joint connection, so it is important for engineers to get some knowledge about this kind of joint. To meet the requirement of the buildings, the forms of joints have become more and more complicated, and joints with non-perpendicular elements has been used in construction but research literature is not available. Based on six tests of this kind joints under the static load, finite element analysis software is used to do numerical analysis for modeling the tests. The effect of the filled concrete height inside and angle between the connected tubes are taken into account on the basis of numerical analyses, and some useful suggestions are presented for design.

[Keywords] composite structure; concrete filled joint with non-perpendicular elements; finite element analyses 1. 引言

在工程实践中，钢管混凝土柱与钢梁体系应用越来越多，通过外部加强环构造措施将钢管与钢梁连接，形成刚性节点[1]。影响节点受力性能的因素主要有内填混凝土高度、钢管夹角、初始缺陷等[2]。在国内外已有的试验及理论研究中，主要针对钢管混凝土柱与钢梁正交的形式，而对斜交式加强环节点的受力性能还缺乏探讨。理论分析表明，应用有限元计算软件可以比较好的模拟实际试验，从而进行大量的数值分析[3,4]。本文结合某实际工程，对斜交节点进行了试验研究，并应用有限元软件进行数值计算，在证明有限元模型正确的基础上，对内填混凝土高度以及钢管夹角对节点性能的影响进行数值分析，得到一些有益的结论。 2. 试验模型及参数

结合实际工程节点设计了3种类型的试件，模型比例为1:4，编号分别为节点-1，节点

１

-2，节点-3。试件的基本尺寸如图1所示，试件主要参数如表1所示。还进行了一组对比试验，构件尺寸与第一组试验相同，区别在于钢管内未填充混凝土，编号分别为节点-1a、节点-2a和节点-3a，试验详细情况见另文。 图1 试件图 表1 试件尺寸 竖向柱 截面 试件编号 斜向柱 截面 水平梁 翼缘 腹板 斜向梁 翼缘 腹板 混凝土强度b (mm) 节点-1 节点-2 节点-3 165x3.5 165x3.5 165x3.5 b (mm) 114x3 165x3.5 114x3 bttt (mm) － 75x5 100x5 bwhw (mm) － 137x3 90x4 bttt (mm) 75x4 75x8 75x4 bwhw (mm) 90x3 159x3 90x3 fcu 49.6 53.6 53.9 注：表中厚度为3、3.5、4、5和8mm的钢板的屈服强度fy分别为340、308、241、256和271MPa；极限强度fu分别为457、428、366、369和447MPa。

试验主要结果如表2所示。

表2 试验极限荷载与转角

节点-1 3.9 126.9 － 节点-1a 615.0 124.0 － 节点-2 467.6 299.1 25.1 节点-2a 366.0 215.0 19.0 节点-3 1650.6 487.6 8.0 节点-3a 560.0 175.0 6.0 Put1 (kN) Put2 (kN) Put3 (kN) ２

Put4 (kN) 68.3 0.0280 83.0 0.0040 93.1 0.0110 94.0 0.0050 188.5 0.0510 84.0 0.0030 u (rad) 表中Put1为构件破坏时的竖向柱荷载，Put2为构件破坏时的斜向柱荷载，Put3为斜向钢梁最大荷载，Put4为构件破坏时的水平钢梁轴力，u为构件破坏时的转角。 3. 有限元分析

基于大型通用有限元软件ANSYS提出了一种切实可行的有限元建模方法，所有几何尺寸均按照实际试验的几何尺寸，材料属性按照材性试验结果赋予相应指标。试验中对钢梁施加集中荷载，而在计算模型中将集中荷载等效为均布荷载，使均布荷载在加强环与钢梁连接处产生的弯矩与剪力与集中荷载产生的弯矩和剪力相等。模型不考虑焊缝的影响，所有连接处均按照材料特性进行等强连接。在工作状态下，混凝土与钢管壁之间存在摩擦，混凝土与钢管之间会产生一定的滑移，但滑移量很小，可以忽略不计。计算模型未进行混凝土与钢管之间的接触分析，将混凝土单元节点与钢管壁单元节点完全耦合在一起，即混凝土表面与钢管表面完全重合。

5计算中钢材用SHELL181单元，弹性模量取E2.010MPa，泊松比取0.3。混

凝土用SOLID65单元，泊松比取0.17，单轴抗压强度取fc0.8fcu，混凝土单轴应力－应变关系采用规范建议曲线[5]。计算结果与实测结果的对比如表3所示。

表3 计算结果与试验结果对比

节点-1 试件 计算/项目 极限荷载(kN) 屈服荷载(kN) 屈服转角(rad) 实测 3.9 450.0 0.0050 计算 实测 600.0 440.0 0.0055 0.93 0.98 1.10 467.6 419.7 0.0060 440.0 425.0 0.0550 实测 计算 实测 0.94 1.01 0.92 1650.0 1401.0 0.0310 1500.0 1350.0 0.0280 计算/实测 计算 实测 0.90 0.96 0.90 计算/节点-2 节点-3 从表3可以看出，数值计算结果与实测结果之间的误差基本在10%以内，说明模型是有效合理的，而且计算假设条件符合实际情况，证明钢管内混凝土的滑移量很小，对节点的影响可以忽略不计。在保证焊接质量的前提下，节点可以充分发挥其受力性能。有限元计算模型不能模拟斜向空钢管根部的局部屈曲，计算截面刚度小于实测刚度。从以上分析可以看出，利用有限元计算能与试验结果比较吻合，为参数分析提供了行之有效的方法。

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4. 参数分析

为了给实际设计提供更合理的设计依据，运用计算程序改变混凝土填充高度和钢管夹角进行数值计算分析。

（1）混凝土填充高度参数分析

按竖向钢管填充一半混凝土、无填充混凝土考虑。第一组试件实测结果定义为工况一，竖向钢管填充一半混凝土定义为工况二，竖向钢管无填充混凝土定义为工况三，空钢管试验结果定义为工况四。计算结果如图2～7所示。最大竖向承载力和最大转角列于表4和表5。

700

竖向荷载 (KN)700600500400300200100600500400300200100

竖向荷载 (KN)

工况一工况二工况三工况四e (me)0-2000-4000-6000-8000-10000-12000-14000工况一工况二工况三工况四

(0.01rad)0.51.01.52.02.53.0000.0图2 节点-1测点P2轴向应变 图3 节点-1荷载－转角曲线

500

400500竖向荷载 (KN)竖向荷载 (KN)

400300300200工况一工况二工况三工况四200工况一工况二工况三工况四100100

00e (me)-1000-2000-3000-4000-5000-6000-7000-8000(0.01rad)00.00.20.40.60.81.01.2图4 节点-2测点P2轴向应变 图5 节点-2荷载－转角曲线

竖向荷载 (KN)1800160014001200100080060040020000-2000-4000-6000-800018001600竖向荷载 (KN)

工况一工况二工况三工况四140012001000800600400工况一工况二工况三工况四e (me)-10000-12000-14000200001234(0.01rad)56图6 节点-3测点P2轴向应变 图7 节点-3荷载－转角曲线

表4 节点各工况承载力与转角

节点-1 节点-2 节点-3 Pu1 3.9 467.6 1650.6 Pu2 490.0 353.0 500.0 Pu3 405.0 235.0 446.0 Pu4 615.0 366.0 560.0 u1 0.0283 0.0105 0.0510 u2 0.0080 0.0011 0.0100 u3 0.0034 0.0038 0.0143 u4 0.0040 0.0050 0.0030 ４

表5 节点各工况承载力与转角比值

节点-1 节点-2 节点-3 Pu2Pu1 0.76 0.75 0.30 Pu3Pu1 0.63 0.50 0.27 Pu4Pu1 0.96 0.78 0.34 u2u1 0.28 0.10 0.20 u3u1 0.12 0.36 0.28 u4u1 0.14 0.48 0.06 表中Pu1、Pu2、Pu3、Pu4分别为工况一、工况二、工况三、工况四最大竖向荷载；u1、

u2、u3、u4分为工况一、工况二、工况三、工况四最大转角。

从以上分析可以看出，混凝土填充高度对节点的性能有显著的影响。随着混凝土填充高度的降低，节点截面刚度降低，在相同荷载作用下，节点转角增大。而且随着混凝土填充高度的降低，节点轴向应变和环向应变的发展也逐渐增大，过早进入屈服阶段。两组试件的加载比例有所不同，而计算加载比例同第一组试验，从表2可以看出，节点-1和节点-1a的加载比例差别较大，节点-1核心区测点P2承担的荷载大于节点-1a，因此在相同荷载水平下，节点-1的轴向应变大于节点-1a。节点-2a、节点-3a轴向荷载比例与节点-2、节点-3相近，因此工况三与工况四的应变相近。从计算曲线可以看出，应变进入塑性阶段后，计算结果与实测结果的差别逐渐加大。随着混凝土填充高度的降低，截面进入非线性阶段后应变的发展能力下降。

内填混凝土对构件的破坏形态有显著的影响，从试验现象可以看出，节点区域填充混凝土时，构件的破坏形态为整体转角过大，而无填充混凝土时，破坏形态为柱身出现塑性铰，局部破坏，而工况二混凝土的交界面处于核心区，破坏形态处于整体弯曲破坏和局部破坏之间，节点-1和节点-2工况二下的测点P2应变处于工况一和工况三之间，而节点-3工况二下的测点P2应变与工况三较接近，说明斜向钢管内混凝土对节点的整体性能也有显著影响，可以有效进行内力重分布。

工况三的应变基本处于弹性阶段，其耗能特性和延性均不如工况一和工况二。 从荷载－转角曲线可以看出，在初始弹性阶段（转角小于0.002rad）时，节点-1和节点-2各工况截面刚度接近，而节点-3工况二和工况三的截面刚度较接近，而与工况一差别较大。试验当中，节点-1和节点-2斜向空钢管根部都出现局部屈曲，说明混凝土对防止钢管局部破坏有显著效果。

从图2～7可以看出，随着混凝土填充高度的下降，节点核心区的屈服荷载在逐渐下降，而屈服荷载与极限荷载的比值在逐渐增大。

５

由此可见，混凝土填充高度的增大可以显著提高节点的承载力，而且可以增大节点的延性，能更多的吸收能量，破坏形态也由局部屈曲控制变为整体转动控制。

（2）两向钢管夹角参数分析

钢管夹角分为60度和30度考虑。有限元数值模拟为工况一，定义钢管夹角为60度时为工况二，定义夹角为30度时为工况三。

竖向荷载 (KN)700700600600400竖向荷载 (KN) 500 300

20010000500400300200100实测工况一工况二工况三实测工况一工况二工况三e (me)-2000-4000-6000-8000-10000-12000-14000-1600000.00.51.01.52.0(0.01rad)2.53.0图8 节点-1测点P2轴向应变 图9 节点-1荷载－转角曲线

竖向荷载 (KN)500500400300

200实测工况一工况二工况三竖向荷载 (KN)

400300200 100

00-2000-6000-10000实测工况一工况二工况三100e (me)-14000-18000(0.01rad)00.00.20.40.60.81.01.21.41.6图10 节点-2测点P2轴向应变 图11 节点-2荷载－转角曲线

竖向荷载 (KN)18001600140012001000800600400180016001400竖向荷载 (KN)12001000800600400200

实测工况一工况二工况三实测工况一工况二工况三20000-1000-2000-3000-4000-5000e (me)-6000-7000(0.01rad)01234560图12 节点-3测点P2轴向应变 图13 节点-3荷载－转角曲线

最大竖向承载力和最大转角列于表6和表7。

表6 节点各工况承载力与转角

节点-1 节点-2 节点-3 Pu 3.9 467.6 1650.6 Pu1 620.0 460.0 1650.0 Pu2 615.0 445.0 1547.0 Pu3 620.0 460.0 1650.0 u 0.0283 0.0105 0.0510 u1 0.0233 0.0060 0.0450 u2 0.0300 0.0120 0.0460 u3 0.0170 0.0050 0.0480 ６

表7 节点各工况承载力与转角比值

节点-1 节点-2 节点-3 Pu1Pu 0.96 0.98 1.00 Pu2Pu 0.95 0.95 0.94 Pu3Pu 0.96 0.98 1.00 u1u 0.82 0.57 0.88 u2u 1.06 1.14 0.90 u3u 0.60 0.48 0.94 表中Pu为实测最大竖向荷载，u为实测最大转角，Pu1、Pu2、Pu3分别为工况一、工况二、工况三最大竖向荷载；u1、u2、u3分为工况一、工况二、工况三最大转角。

从以上分析可以看出，两向钢管夹角对节点的性能也有影响，但相对混凝土填充高度而言影响较小。随着两向钢管夹角的增大，在相同荷载作用下，节点转角逐渐增大。而且随着角度的增大，节点核心区的轴向应变和环向应变也逐渐增大。但总体而言，各工况的差别不是很显著。由于只对夹角参数进行调整，内力可以有效地在核心区内重新分布，因此节点的整体性能是可以充分发挥的。从分析可以看出，在进入塑性阶段后，各工况的差别逐渐增大，而各工况下核心区屈服荷载很接近。

随着夹角的增大，极限承载力逐渐降低，极限转角也逐渐减小，延性也随之下降。 四、结论

运用有限元程序能有效的模拟实际试验，在弹性阶段结果吻合很好。

钢管混凝土斜交节点区内混凝土可以充分发挥节点的整体性能，随着混凝土填充高度的减少，受力性能显著改变，节点刚度逐渐减小，在相同荷载下的转角增大，应变发展加快，屈服荷载降低。建议在设计中应保证节点区内混凝土连续，避免节点区内刚度突变。

钢管夹角对节点整体性能有一定的影响，在弹性阶段差别不大，而进入塑性阶段后，夹角越大，应变发展越快，并且随着夹角的增大，节点承载力与极限转角逐渐下降，节点的延性也随之降低。

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参考文献

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