節點區采用U形箍筋的型鋼混凝土梁柱節點承載力的有限元分析

摘 要:本文中作者提出了一種在節點核心區采用U形箍筋的型鋼混凝土梁柱節點新形式，這種節點形式可以免去在梁型鋼開孔，簡化施工。通過對該種節點形式建立數值模型，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，討論上述兩個參數對節點承載力的影響。

關鍵詞:U形箍筋 梁柱節點 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

由于傳統型鋼混凝土梁柱節點需要在梁型鋼腹板開孔，由此穿過節點核心區的柱箍筋，這種構造形式在施工上很不方便，給施工帶來困難，施工質量難以得到保證。因此，本文在傳統型鋼混凝土梁柱節點的基礎上進行了改進，在節點核心區采用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點構造形式，故需研究其承載力性能。

本文通過有限元軟件ABAQUS對該種節點建立模型，并且通過變換參數進行模擬計算，根據計算結果來討論該種節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個節點，每個節點有3個平動自由度。國內外研究表明，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定，適用范圍很廣。國內外研究資料顯示，采用殼單元模擬鋼板，計算結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，故在建立鋼筋的數值模型時采用了桁架單元，單元類型為2節點線性三維桁架單元(T3D2)。

1.2 材料本構模型

混凝土的本構模型采用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截止損傷模型。損傷塑性模型可用于單向加載、循環加載以及動態加載等情況，具有較好的收斂性[1]。

型鋼及鋼筋的本構模型采用ABAQUS軟件中自帶的金屬塑性材料本構模型。

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生相對滑動，同時節點區的型鋼翼緣框對混凝土有較強的約束作用，根據國內外的試驗研究結果，直至破壞，節點區混凝土與型鋼仍能夠較好的共同工作，故可以忽略節點區混凝土與型鋼之間的粘結滑移。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(結構化網格)的劃分技術劃分網格，網格尺寸為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 計算結果分析

(1)通過提取結果文件中的加載點處的反力，得出普通型鋼混凝土梁柱節點的極限承載力為249.37kN，而采用U形箍筋的節點形式的極限承載力為253.1kN，新型梁柱節點的承載力略大于普通節點形式。(2)當其他參數相同，梁型鋼翼緣寬度分別為120mm、150mm和180mm時，該節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，該節點的極限承載力分別為236.9kN、253.1kN和314.49kN。(3)保持其他參數不變，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，由于兩種節點形式均為梁端出現塑性鉸破壞，故節點核心區的箍筋形式對節點承載力性能幾乎沒有影響，這使得該種新型節點形式的極限承載力要略大于普通型鋼混凝土梁柱節點。(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，故導致了節點承載力的增加。

4 結語

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

在以后的工作中，在設計試件方面應使節點核心區發生剪切破壞，這樣能夠更好的評價一種節點承載力或抗震性能方面的優劣。

參考文獻

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