钢管混凝土柱节点承载力有限元分析

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钢管混凝土柱-钢梁半刚性节点的有限元分析

完海鹰，陈金林（肥业学木程院，徽合２０）合工大土工学安肥３００９
摘要：选择合适的材料本构关系和破坏准则，用有限元软件ＡＳＳ采ＮＹ建立了钢管混凝土双腹板顶底角钢节点的空间有限元模型，了其在分析
低周反复荷载下的受力性能。结果表明：有限元分析结果和计算结果较为吻合，节点表现出较好的延性和耗能能力。
角钢半刚性节点及具体截面尺寸如图
１。
匡
结构的整体性能的影响微不足遭。本文采用 “ （ｌｅ粘”Ｇｕ）命令将管内混凝土与管壁粘接在一起，对于钢管内的混凝土和钢管壁受荷下的粘结关系仍然采用完全粘结的假定。
１３模型的建立和求解．
１１材的本构关系．钢
安
徽
建
筑
２１０１年第２期（１７期总７
钢混凝土柱一钢梁半刚性节点的有元分查匠
ＦｉｔＥｌｅｎＡｎｙｓｏｆｎｉｅｅｍｔｏｌｓｉＧＦＳＳＴＣｏｌｕｍｎａｎＳｔｅｌｓｄｅＢｅａｍｓＳｅｍｉｉｄ－ＲｇｉＣｏｎｎｔｏｎｅｃｉｓ
收稿日期：０卜０ — ４２１３１
有限元模型的边界条件和加载方式尽量和实验相一致。双腹板顶底角钢节点的有限元模型见图２求解时，。首先在柱顶施加轴压荷载，然后在梁端施加单调荷载或循环荷载。求解时采用力、位移双收敛准则，应用全Ｎｗｏ —ＲｐＳｌ法平衡迭代法进ｅｔｎ．ｈｏｄｌ
钢梁和钢管采用块体Ｓｉ５单元模拟，ｏｄｌ４混凝土采用ｓｌ６ｏｉ５单元，ｄ连接螺栓采用

筒仓中钢管混凝土柱节点设计与有限元分析

出了新型节点的初步设计（算）计方法，为工程设计人员在实际应用中指出思路和提供参考。采用通用有限并元软件ＡＹＮＳＳ对节点进行非线性有限元分析，验证所建议节点的承栽力。
关键词：筒仓；管混凝土；点；限元分析钢节有
留置。
按等截面的普通钢筋混凝土压弯构件ｆ配筋对称
ＡｓＡ）＝ｓ计算出所需要的纵向插筋，柱受轴力Ｎ、弯矩Ｍ、剪力Ｖ作用。设普通钢筋混凝土柱截面长和宽为ｂｈｂｈ，由下式：￣＝ｒ？、（＝）则ｂｈＴ４Ｄ
得ｂｈＤ、＝：／
２钢管混凝土柱与筒仓下环梁节点设计
所设计节点主要应用于钢管混凝土柱与筒仓
下环梁的连接，由环形顶板、筋箍、钢插筋组成，插
２２钢管砼柱与筒仓下环粱节点设计建议．
设计中根据钢管柱顶的各种内力．按等截面的
板圆环。环形顶板厚度ｔ（４２）ｉ顶板面积决定＝１～０ｍ１ｌ．
２２２插筋设计．＿
于筒仓下环梁混凝土的局部承压强度：一般环板顶板上的圆孔直径Ｄ内Ｄ一２～０ｍ１外径Ｄ外Ｄ＝（０５）ｉ．ｌ：＋（０５）ｉ具体由计算确定，３～０ｍ，ｌｌ环板与钢管焊接．Ｄ是钢管外直径；缝强度按混凝土的全部局压力（焊Ａｆ１）计算，是环板面积，Ａ环是筒仓下环梁混凝土的抗压强度设计值：插筋在筒仓下环梁中的锚固长度按钢筋混凝土环梁的设计要求．插筋下部插入钢管柱核心混凝土中长度按钢筋混凝土柱计算锚固长度

新型钢管混凝土柱方形环梁节点有限元分析

ｍｏｄｅｌｓｏｆｔｈｅｓｅｔｗｏｔｙｐｅｓｏｆｊｏｉｎｔｓａｒｅｂｕｉｌｔｗｉｔｈＡＮＳＹＳ．Ｔｈｅｓｈｅａｒａｎｄｂｅｎｄｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｓｑｕａｒｅｉｒｎｇｂｅａｍｊｏｉｎｔｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄｂｙａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｓｔｒｅｓｓｄｉｓｔｉｒｂｕｔｉｏｎｏｆｉｎｓｈｅａｒｒｅｂａｒ，ｉｒｎｇｂｅａｍｃｏｎｃｒｅｔｅａｎｄ
ＦＥＡｏｆＮｅｗＳＴＣＣＣｏｌｕｍｎＪｏｉｎｔＣｏｎｎｅｃｔｅｄＷｉｔｈＳｑｕａｒｅＲｉｎｇＢｅａｍ
ＧＥＳｅｎ，ＮＩＥＳｕ－ｆｅｉ，ｓＨＡＮＹａｏ－ｊｉａ
ｂｅａｍｉｓｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｌｙｕｎｉｆｏｒｍ，ａｎｄｓｔｒａｉｇｈｔｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｒｅｉｆｏｎｒｃｅｍｅｎｔｉｓｍｏｒｅｃｏｎｄｕｃｉｖｅｔｏｔｒａｎｓｆｅｒ
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：ＴＵ５２８．５９文献标识码：Ａ文章编号：２０９５－０９８５（２０１３）０４００－４９０６－

有限元ANSYS在钢管混凝土柱分析中的应用

３根试件进行模拟计算，通过比较试验结果与模拟分析结
果，验证了使用有限元软件Ａｎｓｙｓ分析研究钢管混凝土结构的可行性，可以给从事钢管混凝土结构的设计和研究人
关键词：钢管混凝土；有限元；试验；应力一应变关
系
员提供一些参考和借鉴。
１３５０Ｏ０
ｆＤ×ｔ ×Ｌ）／ｍｍｅ／ｍｍ／（ｅ／ｒｃ）标号
Ａ２１５９ ×６．０×７５０５００．６６５Ｃ５０
（ＳｉｃｈｕａｎＣｏｌｌｅｇｅｏｆＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｄｅｙａｎｇ６１８０００，
同的偏心率进行了加载试验，并利用有限元软件ＡＮＳＹＳ进行了模拟分析。通过有限元分析结果与试验结果的比较，验证所建立的ＡＮＳＹＳ三维模型的正确性，可应用于圆钢管
混凝土短柱的理论研究和工程分析。
Ｃｈｉｎａ）
６０５
Ａ３
ｌ０ｏ
１．３３５
３８５
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｒｅｅｓｈｏｒｔｃｏｌｕｍｎｓｏｆｃｏｎｃｒｅｔｅ—ｆｉｌｌｅｄｃｉｒｃｕｌａｒｓｔｅｅｌｔｕｂｕｌｒａｗｉｔｈｓａｍｅｓｉｚｅｒｅａｍａｄｅｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ａｎｄｔｈｅｙａｒｅｔｅｓｔｅｄｂｙｄｉｆｅｒｅｎｔｅｃｃｅｎｔｉｒｃｉｔｙ，ｓｉｍｕｌａｔｅｄｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｉｆｎｉｔｅｅｌｅ — ｍｅｎｔｓｏｆｔｗｒｅａＡｎｓｙｓ．Ｂｙｃｏｍｐａｒｉｎｇｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｉｆｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｅｘｐｅｉｍｅｒｎｔｌ，ｖａｅｉｒｆｙｔｈａｔｔｈｅｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｍｏｄｅｌｏｆＡｎｓｙｓｉｓＣｏｒｒｅｃｔ，ａｎｄｃａｎｂｅａｐｐｌｉｅｄｔｈｅｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｒｅ－ｓｅｒｃａｈａｎｄｅｎｇｉｎｅｅｉｎｒｇａｎａｌｙｓｉｓｏｆｓｈｏｔｒｃｏｌｕｍｎｓｗｉｔｈｃｏｎｃｒｅｔｅ— ｉｆｌｌｅｄｃｉｒｃｕｌａｒｓｔｅｅｌｔｕｂｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｃｒｅｔｅ—ｆｉｌｌｅｄｔｕｂｕｌｒａｓｔｅｅｌ；Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅ — ｍｅｎｔ；Ｅｘｐｅｉｒｍｅｎｔ；ｓｔｒｅｓｓ—ｓｔｒａｉｎｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ

新型方钢管混凝土柱梁节点有限元分析

准则【。２Ｊ
钢梁的翼缘与隔板焊接连接＿。部尺寸见ｌ细１
节点详图ｌ手工焊条Ｅ３，。４型摩擦型高强螺
对节点试件有限元理论计算的曲线分
大，限元理论分析的屈服位移均小于试有验的屈服位移，是由于一般情况下试验这的绝对刚性所致，论曲线没有下降段，理试
２．单调加载时节点非线性有限元分析１
按照上述方法建模及求解后，节点中的支座、端支承达不到理论分析中的对粱
— 一
‘
．
Ｔ
厂Ｉ
验中因加载后期焊缝断裂和局部屈曲而使承载力下降，曲线有下降段。
一
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
察节点的力学性能。ＡＮＳ模拟单调加载作用时，荷载ＹＳ其位移曲线没有下降段，主要是由于程这
前，钢管混凝土柱一粱外隔板型式研究方钢
凝土柱梁外隔板连接节点，过三维非线通性有限元分析，证其良好的抗震性能。验
文章编号：６２３９（００１（）０２－１１７－７１２１）１ａ－０３０
方钢管混凝土结构不仅具有规则美观程》采用拟静力试验方案，方钢管混凝模型进行了单调加载的非线性有限元分，对

钢管混凝土柱不同构造单梁穿心节点的有限元分析

ｆｉｅｅｅｎｉｔｌｍｅｔｎｓｒｓｉｒｂｔｏｓｔｅｓｄｓｉｕｉｔｎ
ｓｇｅｂａｊｉｔｗｉｔｅｂａｋｔｈｏｇｕｕａｏｅｉｌｅｍｏｎｔｓｅｌｒｃｅｓｔｒｕｈｔｂｌｒｃｒｎｈ
ｃｎｔｕｉｎｄｓｎｏｓｉｔｏｅｉｔｇ
实验师
收日：０—０１稿期２５１— ００
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… ．参考文献
隙的变化规律与Ｋ型节点的承载力随弦腹杆夹角
的变化规律相同。
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镍－作者：梅力彪
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…
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部采用ＣＳ结构，构布局多样化。点形式繁ＦＴ结节
多，ＦＴ柱与梁的连接节点成为ＣＳ结构研究ＣＳＦＴ和推广应用的关键技术问题之一。目前，我国学者
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１７年９出生９１月
（ｏｌｅＯｉｌｎｉｅｉＧｕｎｚｏｎｖｒｉＧａｇｈｕ１４５Ｃｌｇｆｖｇｅｒｇ，ａｇｈｕＵｉｓｙｕｎｚｏ５００）ｅＣｉＥｎｎｅｔ
ＡＳＲＣＴｈｅｍｉｔｏＦＴ（ｏｃｅｌｓｅｔｂ）ｉｔｅｋｙｔｃｎｑｅｆｒｔｅａｐｃｔｎｏＣＳＢＴＡＴｅｂａｉｎｓｆＣＳｃｎｒｔｆ耐ｔｌｕｅｓｈｅｅｈｉｏｈｐｌａｉｆＦ柱与粱的节点构造和受力分析是发展组合蛄构体系的关键技术０利用有限元分析软件ＡＮ—

钢管混凝土柱-钢梁穿心节点力学性能有限元分析.

钢管混凝土的基本原理：一是借助钢管对核心混凝土的套箍约束作用，使核心混凝土处于三向受压的应力状态，延缓其受压时的纵向开裂，从而使核心混凝土具有更高的抗压强度和压缩变形能力；二是借助内填混凝土的支撑作用，延缓或避免薄壁型钢管过早发生局部屈曲，增强钢管壁的几何稳定性，改变空钢管的失稳模态，从而提高其承载能力。钢管混凝土具有以下特点埘：（１）承载力高、延性好。钢管和核心混凝土弥补了彼此缺点，也充分发挥各自的长处，使钢管混凝土具有很高的承载能力。（２）塑性、韧性好，抗震性能优越。混凝土脆性相对大，在钢管的约束下，在使用阶段改善了它的弹性性质，且在破坏时具有较大的塑性变形，在承受冲击荷载和振动荷载时，具有很大的韧性，因而抗震性能优越。（３）制作和施工方便。钢管本身是耐侧压的模板，在浇灌混凝土时，可省去支模、拆模的工和料，能适应先进的泵送混凝土、高位抛落免振捣混凝土和自密实混凝土等工艺；钢管本身是钢筋，它兼有纵向钢筋（受拉和受压）和横向箍筋的功能。制作钢管远比制作钢筋骨架省工省料．并且便于浇灌混凝土；钢管本身又是劲性承重骨架，在施工阶段它可起到劲性钢骨架的作用，其焊接工作量远比一般型钢骨架少。（４）耐火性能较好。火灾下，由于核心混凝土可吸收钢管传来的热量，从而使其
ａｌＳＯｗｉｌｌｂｅｃａｒｒｉｅｓｏｎｍｅｃｈａｎｉｃｓａｎａｌｙｓｉｓｆｒｏｍｔｈｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，
Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｓｔｒｅｓｓａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｉｓｐｉｔｃｈｐｏｉｎｔａｂｏｕｔｔｈｅｓｔｅｅｔｇｉｒｄｅｒｗｉｎｇｓｐａｎａｎｄｓｔｅｅｌｐｉｐｅｗａｌｌｈａｖｅａｃｏｍｍｏｎｂｏｕｎｄａｒｙ，ｎｅｅｄｓｗｉｎｇｓｐａｎｔｏｗｉｄｅｎｏｒｔｏｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｆａｌｌｐｌａｔｅ，ｓｌｏｗｓｄｏｗｎｔｈｅｓｔｒｅｓｓｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ；（雪Ｔｈｅ１０ａｄ－ｄｅｆｉｅｃｔｉｏｎｃｕｒｖｅｐｒｏｍｕｌｇａｔｅｄｈａｓｐｕｔｏｎｈａｌｆｒｉｇｉｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｗｈｉｃｈｔｈｅｈｅａｒｔｐｉｔｃｈｐｏｉｎｔｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ｎｅｅｄｅｄｔｏｇｉｖｅｊｎｔｈｅｆｒａｍｅａｎａｌｙｓｉｓｔｏｃｏｎｓｉｄｅｒ．Ｔｈｅｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｅｎｄｏｆｔｈｅｇｉｒｄｅｒａｌｓｏｉｌｌｕｍｉｎａｔｅｔｈｅｈｅａｒｔｐｉｔｃｈｐｏｉｎｔｉｓｂｉｇｇｅｒａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｒｉｇｉｄｉｔｙｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅａｃｔｕａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｉｆｆｃｒｅｎｃｅ；⑨Ｔｈｒｏｕ曲ｃａｒｒｉｅｓｏｎｔｈｅ

钢管混凝土柱劲性环梁节点的有限元分析

科技资讯科技资讯S I N &T NOLOGY I NFORM TI ON2008N O .26SCI ENC E &TECH NOLOG Y I N FOR M A TI ON工业技术本文对钢管混凝土柱劲性环梁式节点进行了三维有限元分析，得到节点内部构件的受力情况，明确了传力机理。

计算结果为明确该形式节点的荷载变形关系及为该节点设计方法提供了指导。

1劲性环梁节点的特点劲性环梁节点，就是在规程[1]提出的单梁节点基础上，在节点区配置环筋和箍筋，形成环梁；同时将节点区的钢牛腿加高加长，提高其抗弯能力，使之参与节点的弯矩传递，并作为环梁的劲性配筋，形成一道劲性环梁，通过劲性环梁与钢牛腿来实现梁柱间的内力传递[2～4]。

与加强环式刚接节点相比，劲性环梁节点把上下加强环板简化为钢牛腿的上下翼缘，使钢牛腿腹板成为主要的抗剪构件，并增设环梁使之与钢牛腿共同承受弯矩。

与环梁式铰接节点相比，增设了钢牛腿来提高节点的抗弯能力，用钢牛腿腹板来代替抗剪环，提高节点的抗剪能力。

综合来看，劲性环梁节点是一种刚度良好的弹性节点，更接近刚性节点。

2有限元模型本文分析的实体模型全部由8节点单元组成。

由于结构的对称性，取1/4结构进行计算。

最后用于分析的模型单元数为6929。

2.1混凝土与钢筋单元本次分析采用三维空间杆单元模拟钢筋，采用三维结构实体单元模拟钢管壁、钢牛腿及混凝土。

混凝土与钢筋的组合一般有三种形式：整体式模型、分离式模型（位移协调）和分离式模型（界面单元）[5]。

本文采用了整体式模型和分离式模型（位移协调）相结合的办法。

对于纵向受力钢筋和环梁钢筋，采用分离式模型，对于其他的构造配筋、箍筋、分布筋等就算出相应的配筋率，采用整体式模型进行建模。

2.2材料的本构关系钢筋和钢材采用理想弹塑性模型，混凝土的破坏准则选择W －W 五参数准则，屈服准则为von M i s es 准则、强化准则为随动强化准则。

对于非约束区混凝土采用的是《混凝土结构设计规范》[6]本构关系，对于约束区混凝土的本构关系，采用的是文献[7]给出的钢管约束混凝土的本构关系模型。

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钢管混凝土柱节点承载力有限元分析
摘要：以某钢管桁架与钢管混凝土柱的连接节点为研究对象，采用有限元软件ABAQUS，分析节点在复杂受力状态下的承载能力，通过分析有限元计算结果，
节点满足设计要求。

关键词：有限元分析，节点承载力，ABAQUS，塑性损伤模型
引言
作为构件连接与传力的重要部分，钢结构节点受力分析是结构安全的重要保障。

本文以一主展馆钢管桁架与钢管混凝土柱的连接节点为研究对象，采用有限
元软件ABAQUS，分析节点的承载能力，并与试验结果比较，验证节点安全性。

1.有限元模型
1.1.材料本构模型
钢管桁架弦杆与钢管混凝土柱外壁为Q345钢材，采用四折线理想弹塑性本
构模型，如图1[1]。

图1 钢管本构模型
钢管混凝土柱核心混凝土标号为C40，采用塑性损伤本构模型。

此本构模型
假定：在不大于4或5倍的极限单轴压应力的低围压条件下，混凝土为脆性材料，主要破坏机理表现为拉裂与压碎。

在模拟混凝土在单向、循环及动荷载作用下的
不可逆损伤破坏行为等方面，塑性损伤本构模型具有较好收敛性能[1]。

混凝土単
轴应力应变关系见式（1）、（2）[2]：
受压时：
（1）
受拉时：
（2）
其中，、或为混凝土峰值单轴压、拉应力，为对应峰值应变，为单轴全应
力应变关系曲线的参数值，取值见文献[2]。

参考文献：[1]、[3]，可得压缩损伤值、拉伸损伤值与非弹性应变、开裂应变的关系，其曲线如图2。

（a）压应力-非弹性应变关系（b）损伤值-非弹性应变关系
（c）拉应力-开裂应变关系（d）损伤值-开裂应变关系
图2 混凝土C40
1.2.模型建立
本文研究的节点为桁架的各杆件通过节点板与钢管混凝土柱连接，其杆件布
置图如图3，GGKZ为钢管混凝土柱，有限元模型如图4。

图3 桁架杆件布置图
（a）整体模型及杆件编号（b）节点板模型
图4 有限元模型
假定钢管柱范围内节点板完全嵌固在核心混凝土中，不考虑它们之间的滑移，其接触采用embedded region命令。

假定核心混凝土与钢管相互作用分解为法向
与切向两个方向作用：法线方向为硬接触（hard contact），切向作用采用库伦摩
擦模型（coulomb friction）模拟：接触面可传递法向压力，并在切向产生摩擦力，
其摩擦系数取0.6[4]，当切向力大于临界摩擦力时，接触面即发生相对滑移，结
合工程实际，假定滑移为小滑移（small sliding）；当接触面法向压力为零或者负
值时，两接触面分离，相应节点接触被解除。

钢管混凝土柱钢管采用壳单元，其他均采用实体单元。

为了模拟试验，荷载
步设为static general，采用等比例加载，最大加载荷载为设计荷载1.6倍，荷载
加载分级如表1。

荷载加载分级表1
注：1.杆件加载荷载一栏中负值表示压力，正值表示拉力。

2.总荷载的0.625为设计荷载。

2.有限元结果分析
（a）所有钢材/ MPa （b）节点板/MPa
图9 设计荷载作用下钢材Mises应力分布云图
图9、10、11、12分别为设计荷载与最大荷载作用下，钢管混凝土柱外壁、
桁架钢管及节点板等钢材Mises应力分布云图。

分析可知，在设计荷载作用下，
节点区各杆件及连接板应力基本在295MPa以内，仅6#杆
钢管在与节点板连接处局部极小区域因应力集中Mises应力为324.9MPa（图10）；在最大荷载作用下，同样因应力集中，6#杆钢管在与节点板连接处局部极
小区域Mises应力为388.5MPa（图12），节点区其它杆件及连接板Mises应力均不大于屈服应力385MPa（节点试验钢材的实测屈服强度值），仍处于弹性阶段。

3.结语
本文利用有限元软件ABAQUS对钢管桁架与钢管混凝土柱的连接节点在复杂
受力状态下的工作性能进行分析。

结果表明：在设计荷载作用下，节点各构件均
处于弹性阶段，在最大荷载（1.6倍的设计荷载）作用下，节点局部极小区域Mises应力略大于屈服应力，节点整体基本处于弹性阶段；在整个受力过程中，
核心混凝土只有局部有微裂纹开展现象。

因此，节点设计具有较高的可靠性与安
全性。

参考文献：
[1]ABAQUS Inc.ABAQUS Theory Manual[M].2006.
[2]中华人民共和国建设部.GB50010－2002混凝土结构设计规范[S].北京：中
国建筑工业出版社，2002.
[3]陈亚亮.钢纤维预应力混凝土扁梁框架抗震性能研究[D].福州：福州大学，2005.
[4]尧国皇，黄用军，谭伟.型钢-方钢管混凝土轴压荷载-变形关系曲线的计算[J].钢结构，2007，22（10）：20-22.。