基于ANSYS的復(fù)雜鋼管混凝土－環(huán)梁節(jié)點(diǎn)承載力性能研究

吳 強(qiáng)錢(qián) 江，周 穎胡 凱陳

（1．同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092；2．中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司，上海200063）

基于ANSYS的復(fù)雜鋼管混凝土－環(huán)梁節(jié)點(diǎn)承載力性能研究

吳 強(qiáng)1錢(qián) 江1，周 穎1胡 凱2陳2

（1．同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092；2．中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司，上海200063）

摘 要對(duì)某建筑中設(shè)計(jì)采用的復(fù)雜鋼管混凝土－環(huán)梁節(jié)點(diǎn)利用ANSYS軟件建立精細(xì)化的有限元計(jì)算模型，進(jìn)行了設(shè)計(jì)工況下的承載力分析。計(jì)算結(jié)果表明，這種復(fù)雜鋼管混凝土－環(huán)梁節(jié)點(diǎn)的極限承載力性能遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)水準(zhǔn)，節(jié)點(diǎn)的安全裕度是足夠的。分析了該形式節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布狀態(tài)和損傷特征，結(jié)果表明，該節(jié)點(diǎn)可以達(dá)到“強(qiáng)柱弱梁”和“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、弱構(gòu)件”的抗震設(shè)計(jì)要求。對(duì)關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析。本文分析結(jié)果可以為今后的類(lèi)似工程設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞鋼管混凝土－環(huán)梁節(jié)點(diǎn)，有限元數(shù)值模擬，抗震設(shè)計(jì)

Bearing Capacity Behavior Study on Com p lex CFST Ring Beam Joint Based on ANSYS

WU Qiang1QIAN Jiang1，ZHOU Ying1HU Kai2CHEN Wei2
（1．State Key Laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China；2．China Shipbuilding NDRI Engineering Co．，Ltd．，Shanghai 200063，China）

Abstract A type of complex CFST（Concrete Filled Steel Tubular）ring beam connection used in a building structure was simulated by ANSYS，the computational results agree well with the model test results．Numerical results indicate that the ultimate bearing capacity is much higher than the disign requirement，thus the safety margin is guaranteed with high confidence．The stress analysis and damage pattern were presented，it is concluded that this type of joint can satisfy the requirements of seismic fortification in the frame of“strong column and weak beam”and“strong joint and weak member”．The sensitivity analysis has been conducted to the key design parameters．Conclusions obtained in this study may provide reference to similar structural design in the future practice．

Keywords CFST ring beam joint，finite element numerical simulation，seismic design

1 引 言

近年來(lái)，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)因其優(yōu)良的承載性能得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)從而成為一個(gè)熱點(diǎn)研究問(wèn)題。

工程實(shí)踐中已經(jīng)提出多種不同的鋼管混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)形式，如加強(qiáng)環(huán)式、鋼筋環(huán)繞式、勁性環(huán)繞式、鋼筋貫通式、十字板式和錨定板式等。但上述節(jié)點(diǎn)形式存在明顯的不足：采用穿心鋼管形式，會(huì)損傷鋼管壁；而采用非穿心鋼管形式，會(huì)導(dǎo)致承載力和剛度不夠；對(duì)現(xiàn)場(chǎng)焊接施工技術(shù)要求也比較高，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性較低。鋼筋混凝土環(huán)梁節(jié)點(diǎn)是方小丹等［1］最近新提出來(lái)的一種節(jié)點(diǎn)形式，該節(jié)點(diǎn)通過(guò)繞鋼管設(shè)置一鋼筋混凝土環(huán)梁來(lái)傳遞彎矩，在環(huán)梁與鋼管的接觸面處緊貼鋼管外表面焊一環(huán)形鋼筋作為抗剪環(huán)以傳遞剪力，框架梁的主筋不穿過(guò)鋼管柱，僅通過(guò)錨固在環(huán)梁混凝土內(nèi)，施工方便，現(xiàn)場(chǎng)焊接工作量少，鋼管壁受力也較好，無(wú)開(kāi)孔造成的應(yīng)力集中，不需在內(nèi)部對(duì)節(jié)點(diǎn)處鋼管進(jìn)行加強(qiáng)。

此類(lèi)節(jié)點(diǎn)在工程實(shí)踐中已得到應(yīng)用，如昆明邦克廣場(chǎng)、廣州翠湖山莊［2］、廣州合銀廣場(chǎng)、上海合生廣場(chǎng)等。理論研究主要針對(duì)規(guī)則框架結(jié)構(gòu)的環(huán)梁節(jié)點(diǎn)［3－4］。

中交集團(tuán)南方總部基地（A區(qū)）總部大廈位于廣州市海珠區(qū)，大廈主樓地下3層、地上43層，建筑高度為198．9 m，抗震設(shè)防烈度為7度。工程中采用了極為復(fù)雜的鋼筋混凝土環(huán)梁節(jié)點(diǎn)形式：多根框架梁斜向匯交于節(jié)點(diǎn)，框架柱采用鋼管混凝土疊合柱［5］。同濟(jì)大學(xué)周穎等［6］選取了主樓第十五層（結(jié)構(gòu)平面布置圖見(jiàn)圖1）17-B軸角柱斜交梁系節(jié)點(diǎn)和15-B軸邊柱正交梁系節(jié)點(diǎn)分別進(jìn)行了1∶2．5的縮尺模型節(jié)點(diǎn)JCC（節(jié)點(diǎn)構(gòu)件平面圖見(jiàn)圖2，節(jié)點(diǎn)構(gòu)件截面詳圖見(jiàn)圖3）和JSC（節(jié)點(diǎn)構(gòu)件平面圖見(jiàn)圖4，節(jié)點(diǎn)構(gòu)件截面詳圖見(jiàn)圖5）的承載力性能試驗(yàn)。驗(yàn)證了原設(shè)計(jì)承載力的安全性，為進(jìn)一步探究該復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的工作機(jī)理、傳力路徑、破壞模式以及關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)影響，本文采用ANSYS軟件對(duì)縮尺模型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行精細(xì)化有限元數(shù)值模擬。

圖1　第十五層結(jié)構(gòu)平面圖（單位：mm）Fig．1 The 15th plan of the building structure（Unit：mm）

2 有限元模型建立

圖2　JCC節(jié)點(diǎn)平面圖（單位：mm）Fig．2 Plan of JCC joint（Unit：mm）

有限元建模時(shí)，本著與試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?gòu)件幾何尺寸、材料強(qiáng)度一致的原則進(jìn)行建模，在鋼筋非常密集不便于網(wǎng)格劃分的地方適當(dāng)采用鋼筋面積等效的方法來(lái)近似建模。梁、柱混凝土采用三維實(shí)體單元SOLID65［7］，鋼筋采用桿單元LINK8，鋼管采用殼單元SHELL63。柱和環(huán)梁混凝土為C60等級(jí)，框架梁混凝土為C35級(jí)，鋼筋為HRB400級(jí)，鋼管為Q345級(jí)型鋼，數(shù)值模擬時(shí)采用對(duì)應(yīng)的材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值?；炷敛捎枚嗑€性隨動(dòng)強(qiáng)化模型，采用規(guī)范［8］建議的混凝土本構(gòu)關(guān)系作為混凝土的單軸拉壓應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系。鋼筋采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型，折線上升段的斜率為鋼筋本身的彈性模量，水平段為鋼筋屈服后階段。暫不考慮鋼與混凝土之間的粘結(jié)滑移影響。

圖3　JCC節(jié)點(diǎn)截面詳圖（單位：mm）Fig．3 Detail section view of JCC joint（Unit：mm）

圖4　JSC節(jié)點(diǎn)平面圖Fig．4 Plan of JSC joint

JCC節(jié)點(diǎn)有限元模型如圖6所示，JSC有限元模型如圖7所示。柱端為固端約束，通過(guò)在梁端設(shè)置一彈性模量近似無(wú)窮大的剛性塊，將荷載施加在剛性塊端部形心節(jié)點(diǎn)上，由剛性塊將荷載均勻分配到梁端各節(jié)點(diǎn)。對(duì)于JCC節(jié)點(diǎn)，JCC-B1加載方向向下，JCC-B2加載方向向上，JCC-B3加載方向向下。對(duì)于JSC節(jié)點(diǎn)，JSC B1加載方向向下，JSC B2加載方向向下，JSC B3加載方向向上。

3 承載力分析

圖5　JSC節(jié)點(diǎn)截面詳圖（單位：mm）Fig．5 Detail section view of JSC joint（Unit：mm）

圖6　JCC節(jié)點(diǎn)有限元模型Fig．6 Finite element model of JCC joint

圖7　JSC節(jié)點(diǎn)有限元模型Fig．7 Finite element model of JCC joint

圖8、圖9為JCC節(jié)點(diǎn)和JSC節(jié)點(diǎn)各框架梁梁端荷載位移曲線計(jì)算值與試驗(yàn)值的對(duì)比，從曲線特征上看，除了JSC B2框架梁以外，其余框架梁計(jì)算值與試驗(yàn)值均符合良好。JSC B2的有限元分析結(jié)果比試驗(yàn)結(jié)果高了44%，原因主要是JSC B2上部鋼筋比較多，導(dǎo)致試驗(yàn)時(shí)鋼筋錨固效果不好，進(jìn)而導(dǎo)致試驗(yàn)中發(fā)生明顯的錨固破壞，如圖8所示。

圖8　JSC B2試驗(yàn)破壞情況Fig．8 Failure of JSC B2 in the test

根據(jù)有限元模型計(jì)算出來(lái)的梁端承載力結(jié)合臂長(zhǎng)和幾何相似比（S），計(jì)算出有限元模型反推回原型節(jié)點(diǎn)的各框架梁近節(jié)點(diǎn)處截面抗彎承載力，計(jì)算公式為Mp＝MM／SM＝MM／S3，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1和表2，與原設(shè)計(jì)值對(duì)比表明：原設(shè)計(jì)的安全裕度是足夠的。

4 混凝土損傷分析

在ANSYS中，混凝土通過(guò)SOLID65單元受拉開(kāi)裂來(lái)描述混凝土材料力學(xué)損傷行為，本文提取了JCC和JSC在初始開(kāi)裂和裂縫完全發(fā)展兩個(gè)時(shí)刻的損傷情況，參見(jiàn)圖11、圖12（圖中標(biāo)記“O”表示受拉開(kāi)裂）。

表1　J C C節(jié)點(diǎn)框架梁抗彎承載力Table 1 Bend capacity of beams of JCC joint

表2　J S C節(jié)點(diǎn)框架梁抗彎承載力Table　2 Bend capacity of beams of JSC joint

圖9　JCC節(jié)點(diǎn)梁端荷載位移曲線Fig．9 Curves for force vs．displacement of JCC joint

圖10　JSC節(jié)點(diǎn)梁端荷載位移曲線Fig．10 Curves for force vs．displacement of JSC joint

初始開(kāi)裂發(fā)生在框架梁端部受拉區(qū)和環(huán)梁交界處，隨著荷載的增大，裂縫沿框架梁長(zhǎng)度方向迅速發(fā)展，環(huán)梁受拉區(qū)也開(kāi)始出現(xiàn)裂縫，并不斷發(fā)展，環(huán)梁與疊合柱交界轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)少量裂縫。裂縫發(fā)展的趨勢(shì)和試驗(yàn)觀測(cè)到的現(xiàn)象是一致的，但是有限元計(jì)算得到的JCC-B1、JCC-B2、JCC-B3初始出現(xiàn)裂縫時(shí)的荷載水平分別是30 kN、20 kN、18 kN，而試驗(yàn)觀測(cè)得到的數(shù)據(jù)分別是95 kN、40 kN、50 kN。有限元計(jì)算得到的JSC B1、JSC B2、JSC B3初始出現(xiàn)裂縫時(shí)的荷載水平分別是25 kN、30 kN、18 kN，而試驗(yàn)觀測(cè)得到的數(shù)據(jù)分別是70 kN、40 kN、60 kN。原因可能是肉眼觀測(cè)精度有限，不易發(fā)現(xiàn)混凝土內(nèi)部的裂縫和最開(kāi)始出現(xiàn)的微裂縫，而有限元計(jì)算不受人為觀測(cè)因素影響。

圖11　JCC節(jié)點(diǎn)混凝土裂縫Fig．11 Cracks of concrete of JCC joint

圖12　JSC節(jié)點(diǎn)混凝土裂縫Fig．12 Cracks of concrete of JSC joint

5 應(yīng)力狀態(tài)分析

為考察節(jié)點(diǎn)內(nèi)部主要受力鋼筋和混凝土的應(yīng)力狀態(tài)，分析了各組件不同荷載水平下的的應(yīng)力數(shù)值，圖13－圖16（曲線橫坐標(biāo)單位p為節(jié)點(diǎn)極限承載力）為JCC節(jié)點(diǎn)和JSC節(jié)點(diǎn)各組件在不同荷載水平下的應(yīng)力。

圖13　JCC節(jié)點(diǎn)鋼筋應(yīng)力Fig．13 Stress of rebar of JCC joint

從圖中曲線特征可以看出，當(dāng)混凝土開(kāi)始開(kāi)裂時(shí)，受拉縱筋拉應(yīng)力迅速增長(zhǎng)，隨著荷載水平增大，框架梁縱筋應(yīng)力水平增長(zhǎng)速度明顯快于環(huán)梁縱筋，當(dāng)框架梁縱筋進(jìn)去屈服后，環(huán)梁受拉縱筋應(yīng)力增長(zhǎng)速度開(kāi)始加快，但是當(dāng)節(jié)點(diǎn)達(dá)到極限承載力時(shí)，環(huán)梁縱筋并沒(méi)有進(jìn)入屈服。隨著荷載水平增大，環(huán)梁混凝土的主壓應(yīng)力增長(zhǎng)速度明顯高于框架梁混凝土。

節(jié)點(diǎn)達(dá)到極限承載力時(shí)，鋼管內(nèi)部混凝土和鋼管壁的應(yīng)力水平仍然很低，遠(yuǎn)小于屈服應(yīng)力。

圖14　JCC節(jié)點(diǎn)混凝土應(yīng)力Fig．14 Stress of concrete of JCC joint

圖15　JSC節(jié)點(diǎn)鋼筋應(yīng)力Fig．15 Stress of rebar of JSC joint

圖16　JSC節(jié)點(diǎn)混凝土應(yīng)力Fig．16 Stress of concrete of JSC joint

6 參數(shù)分析

為進(jìn)一步考察該復(fù)雜鋼管混凝土環(huán)梁節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的影響，本文基于JSC節(jié)點(diǎn)對(duì)徑寬比（環(huán)梁直徑／環(huán)梁寬度）n、框架梁縱筋配筋率ρKL和環(huán)梁縱筋配筋率ρHL這三個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析。

圖17給出了框架梁配筋率、環(huán)梁縱筋配筋率一定的條件下，徑寬比n（保持環(huán)梁直徑不變，改變環(huán)梁寬度）對(duì)梁端荷載的影響。隨著徑寬比減小，梁端部荷載增加，但增加幅度并不大，表明徑寬比的減小使節(jié)點(diǎn)受彎承載力增大，但增大幅度并不顯著。

圖17　不同n對(duì)梁端荷載的影響Fig．17 Influence of n on load capacity at beam end

圖18（圖中括號(hào)內(nèi)分別為JSC B1、JSC B2和JSC B3的縱筋配筋率）給出了徑寬比、環(huán)梁縱筋配筋率一定的條件下，框架梁縱筋配筋率ρKL對(duì)梁端荷載的影響。隨著框架梁縱筋配筋率增大，梁端荷載顯著增加，節(jié)點(diǎn)受彎承載力增大。

圖19給出了徑寬比、框架梁縱筋配筋率一定的條件下，環(huán)梁縱筋配筋率ρHL對(duì)梁端荷載的影響?？梢钥闯霏h(huán)梁縱筋配筋率對(duì)梁端荷載影響不明顯。

7 結(jié)論與展望

本文對(duì)某復(fù)雜鋼管混凝土－環(huán)梁節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了精細(xì)化的有限元數(shù)值模擬并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，得出以下結(jié)論：

圖18　不同ρKL對(duì)梁端荷載的影響Fig．18 Influence of ρKLon load capacity at beam end

圖19　不同ρHL對(duì)梁端荷載的影響Fig．19 Influence of ρHLon load capacity at beam end

（1）計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，兩者符合良好，說(shuō)明有限元模型合理、正確。計(jì)算結(jié)果表明節(jié)點(diǎn)極限承載力性能遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)水平，節(jié)點(diǎn)的安全裕度是足夠的。

（2）斜交梁系節(jié)點(diǎn)JCC和正交梁系節(jié)點(diǎn)JSC的承載力、裂縫開(kāi)展和應(yīng)力狀態(tài)沒(méi)有顯著的差別，其原因可能是由于環(huán)梁為360°各個(gè)方向同性的構(gòu)件，對(duì)斜交梁系不敏感。

（3）該節(jié)點(diǎn)破壞時(shí)，鋼管和鋼管內(nèi)部混凝土的應(yīng)力都很小，均處于正常使用狀態(tài)，表明環(huán)梁的存在沒(méi)有對(duì)鋼管混凝土疊合柱產(chǎn)生不利影響，環(huán)梁破壞不會(huì)造成柱的破壞，可以達(dá)到“強(qiáng)柱弱梁”的抗震設(shè)計(jì)要求。節(jié)點(diǎn)的破壞出現(xiàn)在框架梁和環(huán)梁的交界處，從梁端荷載位移曲線來(lái)看，節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)出良好的延性，可以達(dá)到“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、弱構(gòu)件”的抗震設(shè)計(jì)要求。

（4）初步認(rèn)為環(huán)梁縱筋配筋率不是該節(jié)點(diǎn)承載力主要影響參數(shù)。考慮到環(huán)梁與一般框架梁的不同，環(huán)梁箍筋對(duì)該節(jié)點(diǎn)形式力學(xué)性能的影響有待進(jìn)一步的研究。

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基金項(xiàng)目：“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2012BAJ13B02）；國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃項(xiàng)目（91315301－4）聯(lián)系作者，Email：jqian＠tongji．edu．cn

收稿日期：2014－05－02