方鋼管混凝土柱—工字梁節點靜力加載試驗有限元分析

段玉鑫 程 銘 胡英煒 張宇霞

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

近年來，科學的發展帶動了時代的進步，對建筑結構也有了更嚴格更多元的要求，鋼管混凝土結構的研究漸漸成為建筑工程領域的重點研究方向。傳統的鋼筋混凝土結構使用在大跨度的結構及高層建筑的過程中時，受制于該結構較弱的抗彎與抗拉能力，混凝土表面常常會出現裂縫，在運輸和裝吊等操作中也帶來了一些困難。鋼管的抗彎性好，但穩定性較差，而混凝土的承載力較好，但抗拉抗彎能力較弱，且易產生裂縫。在鋼管柱中灌注混凝土，形成鋼管混凝土結構，可以使兩者優點得到充分結合，同時彌補了鋼管和鋼筋混凝土結構的缺陷，有效提高了結構的承載能力、塑性、韌性等力學性質，并具備良好的防火性能及抗震性能[1-3]。

鋼管混凝土柱的截面主要分為兩種，方鋼管混凝土和圓鋼管混凝土，如圖1所示。就其抗彎能力而言，同面積情況下方鋼管的慣性矩要大于圓鋼管的慣性矩，因此方鋼管的抗彎能力較強。對于實際應用而言，方鋼管混凝土柱—工字梁連接較為簡單，在裝飾裝修方面也更加美觀便捷，因此方鋼管混凝土結構在各類建筑中應用更加廣泛[4-6]。

其中在推廣與使用方鋼管混凝土的結構的過程中，限制其廣泛應用到實際工程中的一個重要原因就是節點的設計，在實際工程中需要多元化的節點連接來滿足人們在設計上的要求。為了快速應用與推廣方鋼管混凝土結構，設計師們需要努力研究處理在節點上出現的問題，因此對節點進行試驗研究具有重大的現實意義[7,8]。

1 方鋼管混凝土柱—工字梁的節點形式

此節點為將節點處端板與工字梁焊接，并采用穿芯螺栓將端板與鋼管混凝土柱連接形成的梁柱試件。具體連接形式如圖2所示。

節點的具體尺寸如表1所示。

表1 構件尺寸

2 有限元模型的建立

節點由方鋼管、混凝土、工字梁、端板和螺栓等共同組合而成。模型分析單元一般分為線性單元和二次單元，在對其進行有限元的建模時，考慮到得出結果的精度方面，運用線性單元和二次單元的差別不大，但是在模型運算過程中，線性單元在計算上的效率要高于二次單元，所以本次建模選用線性單元進行模擬分析[9]。

為了研究節點的力學性能，因此在整個模型中，混凝土的劃分相對較粗略，柱壁、鋼梁與螺栓的劃分相對混凝土較細，具體網格劃分形式見圖3。

模型通過選擇構件的接觸面或單元來實現創建構件之間的接觸。在創建接觸時，一般兩個平面接觸的情況下會選擇表面與表面接觸，并分為主從面，通常情況下選擇定義剛度較大的部件為主接觸面，剛度較小的部件為從接觸面[10]。

本文模型施加三種載荷，分別為：試件自重、螺栓預緊力和柱頂加載力。

3 節點力學性能分析

3.1 節點的破壞形態

應用ABAQUS建立好有限元模擬的模型后，模仿位移加載的形式，固定左右梁的端部，對試件柱頂施加豎直向下的位移荷載，模擬得到試件的破壞形態為節點端板下排穿芯螺栓斷裂，最終的破壞形態如圖4所示。

3.2 節點的力學性能

方鋼管混凝土柱—工字梁穿芯螺栓連接節點試件在模擬的豎向靜力荷載下經歷了彈性階段，塑性階段和極限破壞三個受力階段。

此方鋼管混凝土柱—工字梁穿芯螺栓連接節點試件模擬的極限荷載值達到了68 kN，承載力位移曲線整個過程比較平滑，說明試件在加載中的彈塑性階段表現穩定，試件具有較好的力學性能(見圖5)。

4 結語

使用ABAQUS有限元模擬軟件對方鋼管混凝土柱—工字梁穿芯螺栓連接節點進行了模擬靜力加載試驗的有限元模擬分析，得出以下結論：

1)首先介紹了鋼管混凝土柱—工字梁穿芯螺栓連接節點有限元模型的主要建立過程，規定材料的本構關系，設置材料塑性損傷后，對鋼管，工字梁，混凝土，端板，螺栓進行了網格劃分，隨后設置了邊界條件和接觸。

2)確定了在模型運算過程中，選取線性單元進行模擬分析。對模型按照靜力加載試驗中的約束條件與加載制度設置了約束及荷載，使數值模擬結果具備充分的合理性。

3)方鋼管混凝土柱—工字梁穿芯螺栓連接節點試件在模擬的豎向靜力荷載下經歷了彈性階段，塑性階段和極限破壞的三個受力階段。模擬得到試件的破壞形態為節點端板下排穿芯螺栓斷裂，使試件失去繼續承擔豎向荷載的能力。

4)ABAQUS模擬結果表明，試件承受豎向荷載極值為68 kN，試件在加載過程中的彈塑性階段表現穩定，具有較好的力學性能。