钢管混凝土柱-钢梁节点有限元分析

钢管混凝土柱-钢梁节点有限元分析

林明森

武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北武汉 (430070)

E-mail：LMS1683@

摘要：对规范推荐的钢管混凝土柱-钢梁节点进行力学性能研究，在试验的背景下，利用

有限元分析软件ANSYS9.0建模，在同时考虑几何非线性和材料非线性下进行有限元分析，

对比试验与有限元分析结果，比较模型分析截面尺寸、梁柱线刚度比、轴压比等因素对节点

刚度的影响。对模型的适用性进行评价，并对此节点的适用性及构造提出改进意见。

关键词：钢管混凝土，梁柱节点，有限元分析，节点力学性能

中图分类号：TU398+.9

0. 引言

近年来，随着高层建筑的迅速发展，钢管混凝土结构在高层建筑中应用越来越广泛，钢

管混凝土结构组合形式即弥补钢材和混凝土各自的缺点，又充分发挥了二者的优点，钢管混

凝土结构以其承载力高、延性好、施工方便以及显著的经济效果，作为一种新型的钢管混凝

土组合结构已广泛运用于各种建筑物中。钢管混凝土梁柱节点的受力性能是结构设计中的关

键，也是施工的难点，在钢管混凝土结构的工程应用中其节点的受力性能、破坏机理及连接

构造方面还存在不少问题，影响到了它的广泛应用。由于节点的重要性，节点受到了越来越

多人进行研究，虽然，目前对节点的研究不少，但研究缺乏连贯性和系统性，更多的是研究

承载力性，而对节点区域的变形还未深入，有必要对钢管混凝土梁柱节点进一步研究。

1. 试件的设计与制作

节点原型为一高层框剪结构，层高３ｍ，梁跨度６ｍ。钢管柱为圆型钢管，内填核心混

凝土，钢梁为工字型钢。试件柱梁长度按近似反弯点位置取值，试件节点设置在柱中 [1]。

试件的几何参数见表１。

表1 几何特征参数

材料种类直径（m）高度（m）长度（m）

混凝土C50 0.149 1

钢管ø159x5 0.159 1

钢梁HN175 0.175 2.159

2. 材料性质

2.1 核心混凝土

本文公式来自于文献[2]

约束系数ξ=A s f y/A c f ck

A s:钢材和混凝土的截面面积

A c：核心混凝的截面面积

f y：钢材屈服极限

f ck：混凝土抗压强度标准值

y=2x-x2 (x≤1)

y=1+q(x0.1ξ-1) (ξ≥1.12) (x≥1)

y=x/[B(x-1)2+x] (ξ<1.12) (x≥1)

x=e/e0 y=s/s0

e0=e cc+{1400+800[(fc/24)-1]}ξ0.2(ue)

e cc=1300+12.5

f c(ue)

s0=[1+(-0.054ξ2+0.4ξ)( 24 / f c)0.45)] f c

q=ξ0.745/(2+ξ)

B=(2.36x10-5)[0.25+(ξ-5)7] f c2x3.51x10-4

钢管混凝土中核心混凝土所用的材料是：普通硅酸盐水泥；石灰岩碎石，中粗砂,最大粒径

20mm。强度为46.8ＭＰa混凝土中各材料的用量（每立方米）分别为：水185kg；水泥600kg；

砂680kg；碎石1250kg；砂率为0.35；高效减水剂FDN和木钙或泵送剂。高效减水剂FDN

减水剂和木钙分别为8.68kg和1.3kg[2]。进行实验时混凝土的f cu见表2，泊松比为0.2，弹

性模量参照表2。

表2混凝土材料参数[2]

强度等级C30 C40 C50 C60 C70 C80 C90

f cu/MPa 20 26.8 33.5 41 48 56 64

f c/MPa 24 33 41 51 60 70 80

E c/MPa 30000 32500 34500 36500 38500 40000 41500

2.2 钢材

钢材屈服强度、抗拉强度、弹性模量及泊松比等参数参照表３。

表3 钢材材料参数

材料种类屈服强度

f y/MPa 弹性模量

Es /MPa

抗拉强度

f u/MPa

泊松比

u s

钢管ø159x5 348.1 2.12x105 453.27 0.268 钢梁HN175 324.96 2.075

x105 482.46 0.283 3. 钢管混凝土柱－钢梁节点性能的有限元分析过程

钢管混凝土柱－钢梁节点本构模型：

在ANSYS中有限元分析要定义材料属性、材料本购关系、材料模型，涉及到材料的本

构关系。有限元分析与实际结构受力性能是否符合在很大程度上取决于所建立的本构关系模

型是否合理。经分析，选取了韩林海教授圆型钢管约束混凝土的本构关系模型作为核心混凝

土的本构模型，选取双线性等向强化模型作为钢材的本构模型。

3.1前处理：

本文单元的选取：

(1)实体单元：

钢管中的核心混凝土为长、宽、高比例相当的三维实体结构，采用实体单元SOLID65

对其进行划分。单元由八个节点定义，每个节点有三个自由度:节点坐标系的x, y, z方向的平动。本单元用于建立，具有塑性、膨胀、大变形、大应变等功能。

(2)壳体单元：

由于钢管和钢梁都是薄壁结构，厚度方向的尺寸远小于长度和宽度方向的尺寸，适合用壳体来模拟。因此在分析程序中，采用壳体单元SHELL163对钢管及钢梁进行划分。单元由四个节点定义，每个节点有六个自由度:节点坐标系的x, y, z方向的平动和绕x, y, z轴的转动。本单元使用于分析从薄至中等厚度的壳结构，考虑了横向剪切，支持各向同性和随动强化等多种本构模型。

(3)接触单元：

本文钢管和混凝土之间，钢梁和混凝土之间考虑到接触问题，在钢单元和混凝土之间加入滑移单元(slip element)或间歇单元(gap element )，钢管和核心混凝上之间状态非线性用面一面接触单元来模拟。把弹性模量较大的钢管当作刚性的“目标”面，在钢管单元表面生成目标单元TARGE170;把弹性模量较小的混凝土当作柔性的“接触”面，在混凝土单元表面生成接触单元CONTA173。腹板和混凝土之间也采用同样的单元凝土之间都是采用面－面接触模拟。混凝土之间的摩擦系数设为0.2。

模型采用实体建模法。通过输入实体各控制点的三维坐标来分别建立几何模型，模拟出钢管混凝土柱梁节点构件，采用映射网格划分单元。混凝土本构关系、钢材的应力一应变曲线以及整体有限元模型分别如图1、图2、图３所示。

图1 混凝土本构关系