狗骨式型鋼高強混凝土節點有限元分析

石麗輝

（西京學院 土木工程學院，陜西 西安 710123）

狗骨式型鋼高強混凝土節點有限元分析

石麗輝

（西京學院 土木工程學院，陜西 西安 710123）

就“狗骨式”在型鋼高強混凝土強節點中的性能進行了分析研究，并就這種節點構造措施如何在型鋼混凝土結構中充分發揮其性能進行了分析。

翼緣削弱；受力性能；有限元分析；框架節點

1、前言

由于高強混凝土存在的優良性能，使得其在工程中將得的應用到廣泛，然而伴隨著混凝土強度的提高，其脆性增大，抗震性能變差，這勢必對高強混凝土在抗震工程中的應用有較大的影響[1]。如何使高強混凝土的優良性能在抗震地區得到充分發揮，又能克服高強混凝土延性差且不利抗震的缺陷，是人們一直所關心的問題。

高強混凝土與型鋼混凝土結構的組合為高強混凝土在抗震工程中的應用提供了一個很好的解決途徑。型鋼混凝土結構指的是通過在混凝土中配置軋制或焊接型鋼，同時配有構造鋼筋及少量受力鋼筋而形成的一種介于鋼結構和鋼筋混凝土結構之間的新型結構形式[2]。這種組合有機結合了新材料和新結構的特性，通過型鋼與高強混凝土的相互組合，顯著改善高強混凝土的脆性和構件的延性，從而滿足抗震要求。同時對型鋼而言，采用高強混凝土可使型鋼的作用得到充分發揮[1]。

對于型鋼混凝土梁而言，盡管配有縱筋和箍筋，但是節點處的彎矩和剪力主要是由型鋼部分來承擔的，因此可以借鑒鋼結構中的“狗骨式”節點構造方式，即通過對梁型鋼翼緣進行削弱，在大震下使塑性鉸首先出現在削弱處，避免節點過早發生塑性變形，來提高型鋼混凝土節點的抗震性能，實現框架結構“強節點弱構件”的設計原則。

2、有限元分析

通過參考湖南大學型鋼高強混凝土邊節點試件[3]運用 ANSYS軟件建立“弱節點型”節點模型進行模擬分析，發現當節點為弱節點時，在加載至極限狀態時節點核心區型鋼腹板均已經屈服，并進入了塑性流動階段，梁型鋼受拉翼緣一定范圍內均達到了屈服強度；進行了梁翼緣削弱的模型塑性在削弱處發展的比較快，削弱處型鋼迅速達到屈服強度并形成塑性鉸，在一定程度上避免了梁根部形成了塑性鉸，但是節點仍舊是先于梁屈服的，可見在弱節點中對梁進行狗骨式削弱并不能保護節點不破壞，具體分析過程見我的另一篇論文。

通過計算得知，若將混凝土強度提高到 70N/mm2時，理論上型鋼高強混凝土節點會從“弱節點”變為“強節點”，強節點將會發生的是梁型鋼屈服的彎曲破壞。為了驗證上述理論的正確性，在模擬分析“弱節點型”節點模型 HSRC-A1、HSRC-B1的基礎上提高混凝土強度到70N/mm2，建立有限元模型HSRC-A1-70、HSRC-B1-70，其余條件同前。

對模型 HSRC-A1-70、HSRC-B1-70進行模擬分析，屈服階段型鋼應力圖見圖1，極限階段型鋼應力圖見圖2。

圖1 屈服階段HSRC-A1-70、HSRC-B1-70型鋼應力圖

從圖 1可以看出，模型 HSRC-A1-70梁端型鋼受拉翼緣首先達到屈服，而HSRC-B1-70削弱處型鋼受拉翼緣先于梁端達到到屈服，如圖模型梁型鋼翼緣先于節點核心區型鋼腹板屈服，可見節點發生的是梁型鋼屈服的彎曲破壞，這與前面的理論分析是相符的。

圖2 極限階段HSRC-A1-70、HSRC-B1-70型鋼應力圖

如圖2所示，極限狀態時模型HSRC-A1-70和HSRC-B1-70梁端型鋼和削弱處型鋼應力均超過了屈服強度，進入了塑性流動階段。模型HSRC-A1-70節點核心區型鋼腹板屈服，而HSRC-B1-70型鋼腹板直到破壞尚未屈服，這是因為在模型HSRC-B1-70中塑性鉸首先出現在梁型鋼翼緣削弱處，從而使得狗骨式削弱這種節點構造措施的性能得到了發揮，即削弱處塑性鉸的非線性變形對核心區混凝土的侵害及塑性鉸在節點核心區產生的水平剪力降低了，節點核心區的抗剪能力得到了提高，從而避免了節點發生剪切破壞。可見，狗骨式削弱梁型鋼翼緣確實可以起到保護節點核心區，從而避免其發生剪切破壞的作用。

3、結論

由以上分析可知，只有塑性鉸首先出現在梁型鋼翼緣削弱處，即在保證節點核心區混凝土和型鋼在受力過程中不首先發生失效性破壞的前提下，狗骨式削弱才能充分發揮其保護節點的作用，也就是說“強節點”是狗骨式這種節點構造措施的性能得以充分發揮的首要條件。由此可見，節點核心區的強弱不僅關系到型鋼高強混凝土框架邊節點的承載力，同時更直接影響著狗骨式削弱這種節點構造措施性能的充分發揮，這與模型HSRC-A1-70、HSRC-B1-70的分析結果相吻合。

可見在實際工程中采用“狗骨式”削弱這種節點構造措施，塑性鉸出現在削弱處，可避免節點核心區混凝土出現裂縫。同時塑性鉸出現在梁削弱處，可有效控制結構按梁端破壞機制破壞，整體結構的延性和耗能能力得到提高，大震時結構更安全。

[1]物理力學專題組高強混凝土的物理物理力學性能[C]．鋼筋混凝土研究報告論文集，1991張正國組合結構．河南科學技術出版社，1985，5．

[2]中華人民共和國行業標準．型鋼混凝土組合結構技術規程（JGB138-2001）[M]．中國建筑工業出版社，2002．

[3]黃英省．型鋼高強混凝土框架邊節點抗震性能的試驗研究[D]．湖南大學碩士論文，2009．

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1007-6344（2015）09-0338-01