節(jié)點區(qū)采用U形箍筋的型鋼混凝土梁柱節(jié)點承載力的有限元分析

摘 要:本文中作者提出了一種在節(jié)點核心區(qū)采用U形箍筋的型鋼混凝土梁柱節(jié)點新形式，這種節(jié)點形式可以免去在梁型鋼開孔，簡化施工。通過對該種節(jié)點形式建立數(shù)值模型，采用ABAQUS有限元分析軟件對其承載力性能進行有限元分析，并通過變換梁型鋼翼緣寬厚比及腹板高厚比，討論上述兩個參數(shù)對節(jié)點承載力的影響。

關(guān)鍵詞:U形箍筋 梁柱節(jié)點 ABAQUS 承載力

中圖分類號:TB47文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2012)03(a)-0053-01

引言

由于傳統(tǒng)型鋼混凝土梁柱節(jié)點需要在梁型鋼腹板開孔，由此穿過節(jié)點核心區(qū)的柱箍筋，這種構(gòu)造形式在施工上很不方便，給施工帶來困難，施工質(zhì)量難以得到保證。因此，本文在傳統(tǒng)型鋼混凝土梁柱節(jié)點的基礎(chǔ)上進行了改進，在節(jié)點核心區(qū)采用4個U形箍筋代替閉合箍筋，以省去在梁型鋼腹板開孔的工序，并且能夠簡化施工。但是由于這是一種新型的節(jié)點構(gòu)造形式，故需研究其承載力性能。

本文通過有限元軟件ABAQUS對該種節(jié)點建立模型，并且通過變換參數(shù)進行模擬計算，根據(jù)計算結(jié)果來討論該種節(jié)點形式的承載力性能。

1 有限元分析

1.1 單元類型選擇

混凝土選用8節(jié)點六面體線性減縮積分單元(C3D8R)，C3D8R單元比普通完全積分單元在每個方向少用一個積分點，每個單元有8個節(jié)點，每個節(jié)點有3個平動自由度。國內(nèi)外研究表明，采用C3D8R單元類型模擬三維問題時，能夠獲得足夠的精度。

考慮到型鋼鋼板的幾何特性，并且為了減少計算時間，故型鋼采用4節(jié)點四邊形有限薄膜應變線性減縮積分殼單元(S4R)。該種單元類型性能穩(wěn)定，適用范圍很廣。國內(nèi)外研究資料顯示，采用殼單元模擬鋼板，計算結(jié)果可以獲得足夠的精度并能夠大大縮短計算時間。

由于鋼筋的幾何特性，故在建立鋼筋的數(shù)值模型時采用了桁架單元，單元類型為2節(jié)點線性三維桁架單元(T3D2)。

1.2 材料本構(gòu)模型

混凝土的本構(gòu)模型采用ABAQUS軟件中提供的損傷塑性模型(Concrete damaged plasticity)。該模型是使用各向同性損傷彈性結(jié)合各向同性拉伸和壓縮塑性的模式來表示混凝土的非彈性行為，它是基于塑性的連續(xù)截止損傷模型。損傷塑性模型可用于單向加載、循環(huán)加載以及動態(tài)加載等情況，具有較好的收斂性[1]。

型鋼及鋼筋的本構(gòu)模型采用ABAQUS軟件中自帶的金屬塑性材料本構(gòu)模型。

1.3 相互作用

由于型鋼混凝土柱處于中低軸壓比的工作條件下，并且鋼材的泊松比大于混凝土的泊松比，導致混凝土受到型鋼的擠壓而不宜與之產(chǎn)生相對滑動，同時節(jié)點區(qū)的型鋼翼緣框?qū)炷劣休^強的約束作用，根據(jù)國內(nèi)外的試驗研究結(jié)果，直至破壞，節(jié)點區(qū)混凝土與型鋼仍能夠較好的共同工作，故可以忽略節(jié)點區(qū)混凝土與型鋼之間的粘結(jié)滑移。在建模過程中，將鋼筋部分及型鋼部分通過Embedded Region命令嵌入到混凝土中，使其共同受力變形。

1.4 邊界條件及荷載

邊界條件應與實際相同。約束柱頂及柱底除UR3外的全部自由度，使柱頂與柱底形成鉸接，彎矩為零。在梁端施加單向位移荷載，為200mm，以使試件能夠達到破壞。

1.5 網(wǎng)格劃分

由于混凝土幾何形狀較整齊，故采用Hex(完全六面體)單元，通過Structured(結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格)的劃分技術(shù)劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為50mm。

由于箍筋孔洞的存在，導致型鋼無法采用Quad單元，故將有孔洞區(qū)域分割出去，將其他部分采用Quad單元，在箍筋孔洞處采用Tri(三角形)單元，網(wǎng)格尺寸為50mm。

1.6 求解控制

由于本次試驗的梁端往復加載的周期遠遠小于試件的基本自振周期，故本次分析采用ABAQUS/Standard隱式求解器進行求解。

2 計算結(jié)果分析

(1)通過提取結(jié)果文件中的加載點處的反力，得出普通型鋼混凝土梁柱節(jié)點的極限承載力為249.37kN，而采用U形箍筋的節(jié)點形式的極限承載力為253.1kN，新型梁柱節(jié)點的承載力略大于普通節(jié)點形式。(2)當其他參數(shù)相同，梁型鋼翼緣寬度分別為120mm、150mm和180mm時，該節(jié)點的極限承載力分別為231.07kN、253.1kN和272.8kN;當梁翼緣厚度分別為10mm、12mm和20mm時，該節(jié)點的極限承載力分別為236.9kN、253.1kN和314.49kN。(3)保持其他參數(shù)不變，改變梁型鋼腹板的厚度，分別為8mm，10mm和14mm，計算出的試件極限承載力分別為240.03kN、253.1kN和274.8kN。

3 影響因素分析

(1)由于新型型鋼混凝土梁柱節(jié)點的梁型鋼腹板沒有開孔，從而避免了削弱，同時，由于兩種節(jié)點形式均為梁端出現(xiàn)塑性鉸破壞，故節(jié)點核心區(qū)的箍筋形式對節(jié)點承載力性能幾乎沒有影響，這使得該種新型節(jié)點形式的極限承載力要略大于普通型鋼混凝土梁柱節(jié)點。(2)梁型鋼翼緣寬度的增加，提高了梁的抗彎剛度，這也使得節(jié)點的承載力有所提高;增加梁型鋼翼緣的厚度，使得翼緣中性軸遠離梁型鋼的中性軸，翼緣對梁型鋼中性軸的慣性矩增大，導致其抗彎剛度增加，提升了節(jié)點的抗彎承載力，提高了極限荷載。(3)腹板厚度的增加提升了梁型鋼的抗剪能力，而梁端的剪力與加載點處的荷載相等，故導致了節(jié)點承載力的增加。

4 結(jié)語

由于本次模擬以實際工程為基礎(chǔ)，故全部的試件均按照“強柱弱梁強節(jié)點”的設(shè)計原則進行設(shè)計，這就導致了節(jié)點核心區(qū)沒有破壞，其仍能夠承受梁傳來的剪力，雖然結(jié)果表明這種節(jié)點形式具有良好的承載能力，符合工程實際的要求，但是由于節(jié)點核心區(qū)未破壞，從而也就無法推導采用U形箍筋時的節(jié)點承載力計算公式。

在以后的工作中，在設(shè)計試件方面應使節(jié)點核心區(qū)發(fā)生剪切破壞，這樣能夠更好的評價一種節(jié)點承載力或抗震性能方面的優(yōu)劣。

參考文獻

[1]石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實例詳解.北京:機械工業(yè)出版社， 2009.