矩形鋼管混凝土梁柱節(jié)點加強的數值模擬和對比分析

姚斯友 （安徽富煌建筑設計研究有限公司，安徽 合肥 230088）

1 引言

裝配式鋼結構的大力推廣引發(fā)了一系列細部設計的探討[1]，使原本在混凝土設計中不存在的問題暴露出來，其中包括梁柱的節(jié)點設計，其作為鋼結構設計重要的組成部分，一直是設計師們重點關注的對象。

近些年隨著業(yè)主要求的復雜化和平面布局的特殊化，矩形鋼管混凝土柱的梁柱節(jié)點愈發(fā)成為常見的節(jié)點形式[2]。然而這種形式的節(jié)點在構造上便有天然的劣勢，柱截面垂直長邊方向稱為弱軸，架在弱軸上的梁寬通常達不到弱軸的寬度，且沿弱軸方向缺乏有效支撐，這就導致弱軸方向的節(jié)點極易先于強軸方向在梁柱連接處屈服，柱身也容易起拱或拉壞，故弱軸方向一般成為設計的控制方向[3]。

對此，常見的做法是加強節(jié)點區(qū)域的梁使其成為牛腿，并在柱內部相應位置添加加頸板，加頸板的設置使得柱身有了側向支點，不容易失穩(wěn)，牛腿自身抵抗形變的能力增強。由此節(jié)點區(qū)域整體剛度變大，梁優(yōu)先在構件處破壞，實現了“強節(jié)點弱構件”的目標。

圖1 矩形鋼管混凝土節(jié)點的原始尺寸

加強節(jié)點區(qū)域常見做法有加厚翼緣、加厚腹板、根部加腋等[4]，其作用效應的側重點存在一定差異[5]，了解這些加強措施的具體作用，從而結合現場情況和經濟性，對如何選出最優(yōu)的方案具有重要意義。

2 矩形鋼管混凝土梁柱節(jié)點模型

本文通過有限元軟件ANSYS計算某一矩形柱節(jié)點，以此計算結果為基本工況添加4種加強牛腿的措施，分別比較各種措施下模型關鍵點處的應力差異，分析應力分布形式的特征，選出保護節(jié)點最有力的措施。

某一矩形鋼管混凝土梁柱節(jié)點的原始尺寸如圖1。

模擬中以弱軸梁和柱建立十字形節(jié)點模型，以實體單元solid65模擬混凝土，實體單元20node186模擬鋼材，均采用彈塑性本構TB模型，其中混凝土采用多線性隨動強化模型，鋼材雙線性隨動強化模型，智能劃分網格，精度為6。每個梁長取2m，柱高3m。

后續(xù)所有梁柱節(jié)點模型的荷載、邊界相同，具體如下。

荷載：①每根梁端加60kN集中力，方向左梁向下，右梁向上；②根據0.4的軸壓比，柱頂部的節(jié)點加共3500kN集中力；③自重，鋼材重度取78kN/m3，混凝土取25kN/m3。

邊界：柱底鉸接，柱頂不限制豎向位移，梁端自由。

原始模型作為參照模型如圖2、3所示，文中應力的單位均為MPa。

圖2 原始模型線框

圖3 原始模型邊界和加載

為方便敘述，把模型梁變截面處的上翼緣一定范圍稱為1處，上翼緣與根部連接的一定范圍稱為2處，后文中的1、2處均位于相應位置。計算結果表明原始模型 1、2處的平均應力為168.3MPa和191.8MPa，若繼續(xù)加載，破壞將首先出現在牛腿根部，非設計初衷。

圖4 四種工況的應力云圖

3 四種工況的應力分析

在原始模型上分別做四種措施，每次只改變一個參數，分別是：a.箱型梁長度增加300mm；b.箱梁翼緣板厚增加至20mm；c.加勁板通入根部；d.類梁端加腋。類梁端加腋指的是平牛腿上翼緣水平加厚 14mm，底 200mm，高 150mm的三角形加頸板，底邊齊柱邊。

從圖4可以明顯地看到：a工況應力流的過渡平緩而流暢，應力集中現象不如其他三種工況明顯，且整體的應力較小，但2處應力大于1處，低荷載下是比較合理的受力模型，高荷載下根部先破壞，與預期不符；b、c工況的應力云圖較接近，整體應力大小差距不大，但c工況1、2處已有黃線連通一部分區(qū)域，代表較大應力已經先于b工況開始貫通，故塑性開展的速度明顯快于b工況；d工況由于加腋的三角板承擔了一部分應力，使得根部的應力減小，在實際允許的情況下不失為一個值得考慮的做法。

將四種工況分別與原始模型計算結果比較，初步得到各自1、2處應力減小的比率。

從表1中的數據可以得到，四種措施均減小了兩處的應力，但減小的程度不一。水平加腋對削弱根部應力的效果最明顯，可大幅加強節(jié)點；其次是加頸板通入根部，但施工難度較大；牛腿翼緣加厚的效果也很顯著，同時1處的平均應力減小了11.2%，綜合能力最好；加長牛腿對2處應力的減小程度雖不如其他三者，也達到了可觀的21.8%，同時1處的應力減小了24.2%，缺點是大幅加大了鋼材的用量，經濟性較差。

四種工況下1、2處的應力值如表2所示。

四種工況與原始模型比較得出的1、2處應力減小的比率 表1

四種工況下1、2處的應力值 表2

繪成折線圖如圖5所示。

圖5 四種工況下1、2處的應力變化圖

表2和圖5表明原始模型由于2處應力大于1處，繼續(xù)加載破壞首先出現在根部，a工況可同時減小1、2處平均應力，減幅大致相當，故該措施雖無法保證梁先在1處破壞，但可以延遲這兩個關鍵點的屈服時間。b、c、d工況均可以達到理想的1處先屈服的要求，兩處的應力差分別為 10.9MPa、18.3MPa和32.2MPa，呈遞增關系，表明這三種措施對于防止梁先在根部破壞的能力也呈現遞增的關系。故僅施加單一措施，綜合考慮施工難度、成本、安全的基礎上，水平加腋不失為一個好方法。

4 結語

①增加牛腿長度無法改變牛腿根部先屈服的事實，但可延遲節(jié)點整體屈服的時間。

②加厚牛腿翼緣板和牛腿中間加頸肋通入根部均可避免節(jié)點根部先屈服，但后者的塑性拓展更快且施工難度很大。

③類梁端加腋主要通過降低根部應力達到保護根部，避免其先屈服的目的，相較其他三種措施，作用更明顯，經濟性和可操作性更強。