新型钢管混凝土柱方形环梁节点有限元分析.pdf

第 3 0卷第4期 2 0 1 3年 1 2月 土木工程与管理学报 J o u r n a l o f C i v i l En g i n e e r i n g a n d Ma n a g e me n t Vo l _ 3O No 4 De e 2 01 3 新型钢 管混凝土柱 方形环梁节点 有 限元分析 葛 森， 聂肃非， 单瑶嘉 ( 华中科技大学土木工程与力学学院， 湖北武汉4 3 0 0 7 4 ) 摘要： 在圆形环梁节点基础上提出方形环梁节点， 借助 A N S Y S 软件建立了两种节点形式有限元模型进行非 线性分析。通过分析方形环梁节点抗剪环、 环梁混凝土及其钢筋的应力分布规律研究了节点的抗剪、 抗弯机 理， 并与圆形环梁节点进行对比， 推导了方形环梁节点抗弯承载力设计公式 ， 就影响梁端弯矩分配的几个主要 几何因素进行正交试验分析。研究结果表明： 方形环梁节点中环梁受力较为均匀， 其配置直线型的钢筋更有利 于内力的传递； 方形环梁梁端弯矩一部分由环梁上部受拉纵筋和下部受压混凝土形成抵抗力矩来承担， 另一部 分则转化为环梁扭矩 ， 这两部分弯矩分配的比例受到节点几何因素的影响， 其中环梁高度的影响最为敏感， 环 梁越高 ， 分配的扭矩越小 。 关键词： 方形环梁节点； 有限元分析 ； 受力机理； 抗弯承载力设计方法； 正交试验法 中图分类号 ： T U 5 2 8 5 9 文献标识码 ： A 文章编号 ： 2 0 9 5 - 0 9 8 5 ( 2 0 1 3 ) 0 4 -00 4 9 -06 F EA o f Ne w S TCC Co l u mn J o i n t Co n n e c t e d W i t h S q u a r e Ri n g Be a m G E S e n ， N I E S u - f e i ， s H A N Y a o - j i a ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d Me c h a n i c s ， Hu a z h o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Wu h a n 4 3 0 0 7 4， C h i n a ) A b s t r a c t ： B a s e d o n c i r c l e ri n g b e a m j o i n t ， t h e s q u a r e r i n g b e a m j o i n t i s p r o p o s e d a n d t h e fi n i t e e l e m e n t m o d e l s o f t h e s e t w o t y p e s o f j o i n t s a r e b u i l t w i t h A N S Y S T h e s h e a r a n d b e n d i n g m e c h a n i s m o f s q u a r e ri n g b e a m j o i n t w e r e s t u d i e d b y a n a l y z i n g t h e s t r e s s d i s t ri b u t i o n o f i n s h e a r r e b a r ， ri n g b e a m c o n c r e t e a n d l o n g i t u d i n a l r e i n f o r c e me n t ，a n d c o m p a r e d wit h c i r c l e ri n g b e a m j o i n t ， d e s i g n i n g m e t h o d o f s q u a r e r i n g b e a m wa s als o p r o p o s e d， a n d t h e i n fl u e n c e o f s e v e r a l ma i n g e o me t ric f a c t o r s t o b e n d i n g mo me n t d i s t rib u t i o n wa s s t u d i e d b y o r t h o g o n al t e s t Th e r e s u l t s s h o w t h a t ：t h e d i s t rib u t i o n o f t h e i n t e r n al f o r c e i n s q u a r e r i n g b e a m i s c o mp a r a t i v e l y u n i f o r m，a n d s t r a i g h t l o n g i t u d i n a l r e i nfo r c e me n t i s mo r e c o n d u c i v e t o t r a n s f e r s t r e s s ； T h e b e n d i n g o f s q u a r e r i n g b e a m j o i n t w i l l b e d i v i d e d i n t o t w o p a r t s ，o n e i s o f f s e t b y t h e t e n s i l e r e i n f o r c e me n t a n d p r e s s u r e d s t e e l t u b e， t h e o t h e r i s t r a n s f o r me d i n t o t h e r i n g b e a m t o r q u e ， a n d t h e p r o p o r t i o n o f t he s e t wo p a rts i s a f f e c t e d b y g e o me t ric s i z e s， o f wh i c h h e i g h t o f r i n g b e a m i s t he mo s t s e n s i t i v e Ke y w o r d s ： s q u a r e r i n g b e a m j o i n t ； F E A；s t r e s s me c h a n i s m； d e s i g n i n g me t h o d o f f l e x u r a l c a p a c i t y ； o r t h o g o n al t e s t 关于钢管混凝土柱与 R C梁连接节点的做法 是设计和施 工中较 为棘手的问题 ， 文献 1 中提 出了环梁节点 ， 其构造是在框架梁截面高度 处围 绕钢管混凝土柱设置 圆环形钢筋混凝 土梁 ， 将框 架梁纵筋弯折锚 固于环梁 内， 并沿钢管围焊一道 或多道钢筋作为抗剪构件 。因施工简便和经济效 益明显 ， 环梁节点受到很大关注 ， 但至今仍未有一 个统一可靠的承载力设计方法 ， 其原 因可能与 环梁节点连接形式存在的某些不足相关 ， 例如 ， 环 梁截面上的弯矩 、 扭矩随着截面角度的不 同而持 续改变 ， 致使截面受力十分复杂 ， 并且此类截面是 否满足平截面假设也无相关理论 或试验支持 ， 使 用 混凝土结构设计 规范 中的方法求解截面 承载力未必可靠 。另外 ， 圆形环梁纵筋在混凝 土 收稿 日期 ： 2 0 1 3 - 0 5 - 0 2 修 回 日期 ： 2 0 1 3 -06 1 9 作者简介 ： 葛森 ( 1 9 9 0 一 ) ， 男 ， 安徽安庆人 ， 硕士研究 生 ， 研究方 向为钢筋混凝土结构 ( E ma i l ： 3 7 2 8 6 5 0 9 7 q q c o rn) 5 0 土木工程与管理学报 约束下局部范围内受到框架梁端荷载作用时 ， 其 内部应力的传递受到一定程度 的阻碍， 使 得环梁 纵筋应力分布不均匀 ， 某些部位较早出现屈服。 鉴于此 ， 本文在参考 R C圆环梁节点 以及文 献 4 中建议 的几类节点形式 的基础上 ， 提 出方 形环梁节点 ， 通过实体有限元建模计算 ， 分析 了方 形环梁节点的传力机理 ， 并与圆形环梁节点相关 结果进行对 比， 最后根据节点的受力特点对抗弯 配筋的设计进行了研究 。 1 方形环梁节点构造及有 限元模型 1 1 方形环梁节点的构造 方形环梁节点构造如图 1 所示。方形主要针 对环梁纵筋而言 ， 在各支框架梁之间呈直线分布。 其中设置抗剪环用于抵抗梁端剪力的方法同圆形 环梁节点相同， 不同之处在于图 1 ( a ) 所示虚线部 分表示的环梁纵筋的分布形态， 其钢筋在各框架 梁之间直线相连 ， 与框架梁相交处则垂直于框架 梁轴线。在环梁内侧最短纵筋长度范围内可以正 常配置箍筋 ， 而距框架梁较近的区域 ， 宜在框架梁 纵筋和环梁纵筋的交接点处配置适 当箍筋 ， 此类 箍筋只能连接该节点与其环外侧的环梁纵筋。 ( a ) 环 梁 1 ， 点平 面图 ( b ) A A剖 面 图 图 1 方形环梁节点 1 2有限元模型的建立及加载 利用 A N S Y S建立“ 一” 字形 的方形环梁节点 有限元模型， 混凝土采用 S o l i d 6 5实体单元 ， 钢筋 采用 L i n k 8杆单元 ， 在环梁混凝土 与钢管外壁 问 的接触表面上分别覆盖 T a r g e l 7 0和 C o n t a 1 7 4单 元来模拟面面接触。其混凝土及钢筋有限元模型 如图 2 、 3所示 ， 设环梁名义宽度为环梁最短宽度 ， 即与框架梁轴线呈4 5 。 角的截面宽度。其中钢管 尺寸为 8 0 0 5， 环梁最小宽度截面为 3 0 0 X 5 5 0 ， 框架 梁 截 面 为 3 0 0 X 5 5 0 ， 环 梁 对 称 配 置 纵 筋 4 2 5 ， 在环梁内侧最短纵筋长度范围配置 1 4 1 0 0的箍筋 ， 在环 内侧起第二 个环梁纵筋 与框架 梁纵筋交接点处设置一道 4 , 1 4的箍筋 ， 如图 3所 示 ， 框架梁上下层分别配置纵筋 4 3 2和 4 2 5， 在钢管距环梁底部 1 0 0 mm高度处围焊边长为 2 0 mm的正方形截面抗剪环， 混凝土等级为 C 3 0 。 图 2 方形环梁节点混凝土有限元模型 图 3 方形环梁节点钢筋有限元模型 另外 ， 为了对 比圆形环梁 和方形环梁 的受力 特点 ， 同时验证非线性有限元计算 的准确性 ， 本文 也选取了文献 1 中圆形 环梁节点 E 1 试 验模 型 进行建模 计算 ， 其环梁截面尺寸为 4 0 0 X 5 5 0 ， 配 置箍筋 d 1 4 2 5 0 ， 其他尺寸与配筋量 同上述方形 节点模型一致。 计算取 1 4模型 ， 约束柱底层节点所有 自由 度并限制顶层 节点 、 Y方向位移 ， 首先在柱顶施 加 1 0 0 0 k N的压力维持稳定 同时模拟钢管混凝土 柱的受力状态， 然后分别施加剪力和弯矩进行计 算 。计算剪力时在与框架梁相交的环梁区域顶部 施加 5 0 0 k N的压力 ； 计算弯矩作用时在梁端施加 竖直向下 的压力 5 0 0 k N， 在环梁节点处将产生相 应 的弯矩。计算时采用力收敛准则 ， 将精度调至 5 ， 使用 N e w t o n R a p h s o n迭代并打 开线性搜 索 功能 2 梁端荷载一 位移计算结果对 比 对两种节点框架梁梁端施 加垂直压力 ， 根据 计算结果绘 制 了梁端荷 载一 位移 曲线 ， 并 与文献 1 中 E 1 模 型试验得到 的圆形环梁节点荷载位 移曲线进行 比较 ， 如图4所示 ， 可以看到圆形环梁 节点计算结果与试验结果 吻合较好 ， 有限元计算 圆形环梁节点梁端荷载为 3 0 5 k N后便不再收敛 ， 试验测得极 限荷载为 3 1 0 k N。因此可 以用 A N S Y S 对本文提出的方形节点进行仿 真分析。另外 图中还给出了方形环梁节点的荷载 位移 曲线 ， 从 图中看出在环梁纵筋量相 同的情况下 ， 方形环梁 节点具有较高的承载能力 ， 因此 ， 值得对其作进一 步 的研 究 。 第 4 期 葛森等： 新型钢管混凝土柱方形环梁节点有限元分析 。 5 3 ) 图 1 2 s 受 力 状 态 V 6 M=2 T+ ( 1 ) 其 中 为 F 与 在框架梁轴线方 向的分力所 形成的弯矩 ， 由于 F 是 由框架梁下部混凝土受压 传递给钢管的压力， 假设 F 合力点与框架梁受弯 截面下部受压混凝土的合力点等高 ， 则有 ： M =F ( h 。 一x 2 ) ( 2 ) F = 2 F f c o s 4 5 。 = , 2 F f ( 3 ) 其中 h 为框架梁截面有效高度 ， 为框架梁正截 面受弯时混凝土受压高度。若知道 F 大小 即可 得到 部分所需要的上部纵筋配筋量 ， 大小为 ： F A = 等 ( 4 ) Y 其中 为环梁上 部纵筋 的抗拉设计强度。另一 部分梁端弯矩转化成环梁扭矩 ， 有 ： T= ( V 6 + )一 2 ( 5 ) 通过上式结合 G B 5 0 0 1 0 2 0 1 0 混 凝土结 构 设计规范 有关规定对 5 区域配置箍筋。r， 通 过 S 传递到 5 ， 后在 s 截面形成的扭矩和弯矩 ， 其大小相等 ： 。 = 。 = T ( 6 ) 厶 通过上式结合 混凝 土结构设计 规范 关 于抗弯抗扭承载力计算公式可对 s 区域配置满 足要求的纵筋和箍筋 ， 最后结合 4 即可完成环梁 所有配筋 。 因此关键在于了解 F 大小 及其规 律。取 出 F 所对应 的面 ， 通过全截面正应力对截面进行积 分记得到： F =J d A ( 7 ) 在各个荷载子步下计算 F 得到了图 1 3关于 F 与梁端弯矩关 系， 弯矩 0时对应 的 为一个 较小值是由于柱端施加压力环梁受钢管柱径 向压 力所致 ， 图中可以看出 F 与梁端弯矩基本呈线性 关系 ， 将 图中曲线线性拟合计算得到 ： 4 。 。 一 3 。 。 詈 2o0 篓 1 00 0 - o 6 2 5 ( 8 ) 图1 3 F 与框架梁端弯矩关系 此式表明环梁纵筋与钢管壁压力之间形成的 抵抗弯矩 占梁端总弯矩的 6 2 5 ， 则框架梁两侧 分别抵抗的扭矩为 1 8 7 5 ， 相比而言此值较小。 综上 ， 在梁端剪力和弯矩给定 的情况下即可配置 相应的纵筋和箍筋。 5 2 比例 系数影响因素的正交试验法分析 上面有限元计算得到的0 6 2 5是弯矩分配 的 比例系数 ， 其 大小将受 到节点几何尺寸的影响。 为了讨论节 点主要几何参数对此 系数 的影响规 律 ， 本文选取 4个可能影响 比例系数大小 的独立 几何参数 ， 分别为刚管混凝土柱半径、 环梁截面高 度和宽度 以及框架梁 宽度 ， 考虑每个参数 3个水 平变化 ， 选用 ( 3 ) 正交试 验 ， 具体模型尺寸 以 及计算结果在下表 1 所列。 表 1 正交设计表 模型钢管 环梁 环梁框架梁比例承载力 ( k N m) 编号 半径r宽度6高度h宽度 系数 理论方法 有限元 1 3 5 0 2 5 0 5 0 0 3 5 0 0 6 0 7 2 47 3 0 5 2 3 5 0 3 0 0 5 5 0 4 0 0 0 6 4 1 2 8 6 3 1 O 3 3 5 0 3 5 0 6 0 0 4 5 0 0 6 8 8 3 2 0 3 4 2 4 4 0 0 2 5 0 5 5 0 4 5 0 0 6 1 5 2 9 4 3 01 5 4 0 0 3 0 0 6 0 0 3 5 0 0 6 7 2 3 0 8 3 5 2 6 4 0 0 3 5 0 5 0 0 4 0 0 0 5 6 8 2 5 9 3 3 6 7 4 5 0 25 0 6 0 0 4 0 0 0 6 5 9 3 1 7 3 6 0 8 4 5 0 3 0 0 5 0 0 4 5 0 0 5 8 6 2 6 4 2 9 7 9 4 5 0 3 5 0 5 5 0 3 5 0 0 5 7 9 2 8 4 3 1 O 注 ： 理论计算方法通过实配钢筋 面积反算极 限承载力可先计 算 出抵抗弯矩和截面抗扭承载力的大小 ， 然后 比较 它们之间的 比 值与 ( 1 一 ) 的大小 ， 取较小者通过比例系数即可求出极限承载力。 图 1 4描述了各个 因素对 比例 系数影响的水 平趋势， 从图中可以直接看 出增加环梁高度 、 框架 梁宽度都一定程度 的提高 了比例 系数 ， 表 明对弯 矩分配给钢管和环梁纵筋有促进作用 ； 而增大环 梁宽度、 钢管半径则减小了比例系数 ， 说明对弯矩 分配给环梁抗扭有积极作用。因此 ， 在特定 的情 况下可以通过改变环梁节点中环梁的尺寸来优化 5 4 土木工程与管理学报 2 0 1 3年 节点的设计。另外 ， 通过对各 因素极差 的计算可 得敏感性程度为 ： hr bW ( 7) 图 1 4 各 因素水平影响趋势 对上述计算结果的回归分析 ， 由于难以从数 据中直接观察 出回归函数的类形 ， 此处使用多项 式对数据进行 回归 ， 最后得到比例系数为 ： ：2 6 7 +00 0 31 b 一00 0 7 2b 一 4 8 3 3 3 1 0一 h一0 0 0 3h 一5 46 6 x 1 0一 。 +7 33 X 1 0一 。 +7 3 31 0一 r+3 3 31 0- 6 F 2 6 结 论 ( 1 ) 方形环梁节点具有与圆形环梁节点相同 的抗剪、 抗弯机理 ： 通过抗剪环与钢管壁的静摩擦 力来承担剪力 ； 通过环梁纵筋受拉、 钢管柱受压形 成抵抗力矩和环梁的扭转来承担弯矩 ， 两者分担 弯矩的大小受到节点几何尺寸的影响 ， 其 中环梁 高度影响最为明显 ， 因此 ， 可以通过相关的尺寸优 化设计使节点配筋更加合理。 ( 2 ) 方形环梁节点由于在框架梁之 间的环梁 纵筋呈直线分布 ， 有利于内部应力的传递 ， 使方形 环梁应力分布较 圆形而言更加均匀 ， 因此提高了 方形环梁的承载能力 。 ( 3 ) 方形环梁节点 由于在相应 的范围内环梁 截面方 向不变 ， 容易分析截面受力状态 ， 使得提出 更合理 、 更可靠的承载力设计方法相对简单 ， 从而 在工程上应用更有依据。 参考文献 1 方小丹 ， 李少云， 陈爱军 新型钢管混凝土柱节点的 试验研究 J 建筑结构学报， 1 9 9 9 ， 2 0 ( 5 ) ： 1 1 5 2 谢玉芳 钢管混凝土柱一 钢筋混凝土环梁式节点抗 弯机理分析 J 安徽建筑工业学院学报( 自然科学 版 ) ， 2 0 1 2 ， 2 0 ( 2 ) ： 3 9 42 3 G B 5 0 0 1 0 2 0 0 2 ， 混凝土结构设计规范 S 4 黄汉炎 ， 梁宇行， 李曦新 ， 等 钢管混凝土柱 、 R C梁 板节点拟静力三向加载试验研究 J 建筑结构学 报 ， 2 0 0 1 ， 2 2 ( 6 ) ： 3 一 l 3 5 魏琏， 王志远， 王森， 等 钢管混泥土柱一 R C环 梁节点计算方法 的研究 J 建筑结构， 2 0 0 8 ， 3 8 ( 3 ) ： 2 9 - 3 3 6 方小丹， 黄圣钧， 李少云， 等 R C梁一 圆钢管混凝土 柱节点环梁承载力设计方法 J 建筑结构学报， 2 0 0 8 ， 2 9 ( 5 ) ： 2 0 3 3