鋼支撐—混凝土框架體系節點分析

馮芝茂 張建勛

(1.中國核電工程有限公司，北京 100840； 2.中國中元國際工程有限公司，北京 100089)

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鋼支撐—混凝土框架體系節點分析

馮芝茂1張建勛2

(1.中國核電工程有限公司，北京 100840； 2.中國中元國際工程有限公司，北京 100089)

以某鋼支撐—鋼筋混凝土框架體系結構中支撐節點為研究對象，采用通用有限元軟件ANSYS建立了模型，分析了節點在常遇地震及設防地震下的承載力，對比研究了通過增設加勁肋及加厚腹板的方式來改善節點域承載力的有效性。

鋼支撐—混凝土框架，ANSYS，支撐節點，承載力

0 引言

在多層鋼筋混凝土工業廠房中，由于工藝布置的需要，廠房結構布置呈現空曠少柱、平面不規則、抗側力構件較少的特點，為了滿足結構抗震的要求，常常需要布置鋼支撐，與鋼筋混凝土框架一起組成抗側力體系。

鋼支撐—混凝土框架體系在設計時需要按《建筑抗震設計規范》[1]中附錄G的要求進行設計，但是規范中對鋼支撐與混凝土連接節點處承載力計算與設計構造并不明確，并且按照常規計算方法設計也較為困難[2]。

本文以某鋼支撐—鋼筋混凝土框架體系結構中支撐節點為研究對象，采用通用有限元軟件ANSYS進行建模、分析節點域在常遇地震及設防地震下的承載力。研究通過增設加勁肋及加厚腹板的方式來改善節點域承載力的有效性。

1 工程概況

本工程主要建筑功能為能源運行調度中心，地上5層，地下1層，高度24.0 m，結構體系為鋼支撐—混凝土框架體系。抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度為0.20g，設防地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅲ類。基本風壓為0.45 kN/m2。鋼筋混凝土框架部分混凝土等級為C35、抗震等級為一級。鋼支撐采用X型布置，支撐桿件為H型鋼，材質為Q345B。鋼支撐豎向布置見圖1，鋼支撐節點詳圖及常遇地震設計內力見圖2。

2 節點分析

2.1 建模

節點分析采用通用有限元軟件ANSYS v14.5，鋼板采用Shell181四節點有限應變殼單元，考慮橫向剪切變形的影響，該單元包含4個節點，每個節點包括3個平動自由度和3個轉動自由度。混凝土梁采用Solid45單元，該單元包含8個節點，每個節點有3個平動自由度。模型所受荷載由整體模型計算導出，施加荷載時，為避免加載點的應力集中，桿端截面建立MPC184剛性梁單元，荷載通過主節點均勻傳至截面各節點。模型網格尺寸控制為50 mm，模型中包含4 916個單元、15 903個節點。單位制為N，mm。

鋼筋混凝土梁截面為450×800，鋼支撐截面為H400×400×26×36。混凝土的彈性模量為3.15×104MPa，泊松比為0.2。鋼板的彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3，屈服強度為345 MPa。鋼材本構關系采用理想彈塑性模型，在軟件中設置為雙線性模型，在鋼材達到屈服點之后，應力不再增長。支撐節點三維有限元模型如圖3所示，混凝土內部的節點板拉接鋼棒如圖4所示。

2.2 分析過程

1)初步分析結果。分析時，假定混凝土與鋼材之間粘結無滑移,不考慮鋼材焊接和內部材質不均勻導致的殘余應力的影響,鋼材按照第四強度理論來判斷應力狀態及塑性發展。鋼板節點域在常遇地震(小震)下處于彈性狀態，最大等效應力為176 MPa，小于屈服強度，具有較高的應力裕度，常遇地震下鋼板等效應力見圖5。鋼板節點域在設防地震下(中震)應力達到了屈服強度，進入了塑性階段，設防地震下鋼板等效應力見圖6。從圖7可以看到，鋼板節點域幾乎全部進入塑性區，在設防地震下節點域很可能已經失效。

2)設置加勁肋。為了改善在設防地震下節點域的受力狀態，在節點域加設一道加勁肋，將節點域腹板分割為更小的區域，圖8為增設加勁肋后的等效應力云圖，圖9為設防地震下鋼板塑性區，可以看出節點塑性區改善并不明顯。

3)加強節點域板厚。除了在節點域增設加勁肋外，加厚節點域腹板也是一種提高節點域承載力的常用設計構造。將腹板厚度加厚至30 mm后，計算得到的設防地震下鋼板等效應力云圖見圖10，設防地震下鋼板塑性區見圖11，可以看出在設防地震下節點域塑性區顯著減小，節點承載力提高。因此，最終設計中，采用了加厚節點域腹板的方法來提高節點域的承載力。

3 結語

針對鋼支撐—混凝土框架體系中支撐節點，通過有限元分析來驗證節點設計的合理性與安全性，并得出如下結論：

1)通過有限元分析來計算節點域的承載力是可行的，可作為鋼支撐—混凝土框架體系結構設計時補充驗證。

2)節點域在常遇地震工況小于屈服強度的情況下，需要進一步驗算設防地震下節點域的塑性發展，采用有效措施提高節點的承載力和延性。

3)增設加勁肋來提高節點域承載力的方法效果不明顯。加厚節點域腹板厚度可有效提高節點域承載力。

[1] GB 50011—2010,建筑抗震設計規范[S].

[2] 齊秋平.鋼支撐—混凝土框架結構在大型火電廠應用探討[J].吉林電力，2014，42(4):22-24.

[3] 周慧敏.利用ANSYS分析鋼結構節點承載力[J].四川建筑科學研究，2014，40(6):51-53.

Joint analysis in a steel brace and concrete frame structure

Feng Zhimao1Zhang Jianxun2

(1.China Nuclear Power Engineering Co., Ltd, Beijing 100840, China; 2.China IPPR International Engineering Co., Ltd, Beijing 100089, China)

It regards joint in a steel brace and concrete frame structure as the analytical object. Modeling and analysis of joint under common earthquake and design earthquake are conducted using ANSYS. The effectiveness between adding stiffener and adding thickness of web for improving the bearing capacity of joint are compared.

steel brace and concrete frame, ANSYS, joint of brace, bear

1009-6825(2017)08-0046-03

2017-01-03

馮芝茂(1987- )，男，碩士，工程師； 張建勛(1973- )，男，碩士，工程師

TU375

A