第23卷第11期 V ol.23 No.11 工程力学
2006年11 月Nov. 2006 ENGINEERING MECHANICS 99 文章编号：1000-4750(2006)11-0099-11
方钢管混凝土柱节点的试验研究
及非线性有限元分析
*聂建国1,2，秦凯1,2，肖岩3
(1. 清华大学土木工程系，北京 100084；2. 清华大学结构工程与振动教育部重点实验室，北京 100084；
3. 南加州大学土木工程系，洛杉矶 90089)
摘要：基于方钢管混凝土柱内隔板式节点及外加强环式节点的低周反复荷载试验，在合理选择材料本构关系、破坏准则的基础上，采用通用有限元软件ANSYS对方钢管混凝土柱内隔板式节点和外加强环式节点进行了单调加载及循环加载作用下的受力性能分析。有限元分析得出的荷载-位移曲线及剪力-剪切变形曲线与试验结果吻合较好。在此基础上对外加强环式节点进行了参数分析，研究了方钢管混凝土柱的轴压比、宽厚比、核心混凝土强度及混凝土楼板高度对节点受力性能的影响，结果表明轴压比、宽厚比的影响较大。
关键词：方钢管混凝土柱；内隔板式节点；外加强环式节点；有限元分析；参数分析
中图分类号：TU317.1 文献标识码：A
EXPERIMENTAL INVESTIGATION AND NONLINEAR FINITE ELEMENT ANALYSIS ON THE BEHA VIOR OF CONCRETE-FILLED SQUARE STEEL
TUBULAR COLUMN CONNECTIONS
*NIE Jian-guo1,2 , QIN Kai1,2 , XIAO Yan3
(1. Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China;
2. Key Laboratory of Structural Engineering and Vibration of China Education Ministry, Tsinghua University, Beijing 100084, China;
3. Department of Civil Engineering, University of Southern California, Los Angeles, CA 90089, U. S.)
Abstract:Based on the experiments of concrete-filled square steel tubular column connections with interior or exterior diaphragms under cyclic loading, 3-D nonlinear finite element models were used to analyze the mechanical properties of these two types of connections using ANSYS. Based on appropriate material stress-strain relations and failure criteria, finite element analyses were conducted under monotonic loading and cyclic loading. The load - deflection curves and shear force - deformation curves by finite element analyses show good agreement with those of the experiments. Parametric analyses were conducted on the connections with exterior diaphragms to investigate the influences of compression ratio, width to thickness ratio, strength of the concrete in the square steel tube and concrete slab height. It is found that compression ratio and width to thickness ratio are more important to the connections.
Key words:concrete-filled square steel tubular column; connections with interior diaphragms; connections with exterior diaphragms; finite element analysis; parametric analysis
———————————————
收稿日期：2005-03-02；修改日期：2005-06-12
基金项目：国家自然科学基金资助项目(50438020)
作者简介：*聂建国(1958)，男，湖南衡阳人，教授，博士，博导，从事结构工程研究(E-mail: niejg@https://www.doczj.com/doc/0116330867.html,)；
秦凯(1979)，男，山西太原人，博士生，从事结构工程研究；
肖岩(1961)，男，内蒙古呼和浩特人，教授，博士，从事结构工程研究。
100 工程力学
钢管混凝土具有强度高、重量轻、延性好、耐疲劳、耐冲击等优越的力学性能[1]，同时钢管可作为浇注核心混凝土的模板和承重骨架，从而节省模板费用，加快施工进度，具有优越的施工性能。方钢管混凝土虽然约束效果不如圆钢管混凝土显著，但是具有截面抗弯刚度大、稳定性能好、便于采取防火措施等诸多优点，同时其节点几何形状规则，梁柱相交面为平面，便于施工，因此近年来方钢管混凝土结构已经受到人们的广泛关注，实际工程应用不断增加。
《矩形钢管混凝土结构技术规程》(CECS159: 2004)[2]已将内隔板及外加强环式节点列为方钢管混凝土柱与钢梁连接节点的推荐形式。目前研究人员对方钢管混凝土柱外加强环式节点的研究相对较少[3]，而对方钢管混凝土柱内隔板式节点则已经进行了一定的试验研究[4~6]，提出了相应的抗弯承载力及抗剪承载力计算公式，但是由于试验的破坏模式大部分为梁铰破坏或节点弯曲破坏模式，而节点剪切破坏模式相对较少，因此其抗剪承载力计算公式的可行性还有待于进一步的试验验证。目前国内外对这两种节点的研究主要以试验及理论分析为主，有限元分析还不多见。然而由于节点受力性能复杂、试验条件有限，仅依靠试验及理论分析还有所不足，需要通过有限元分析对节点的受力性能进行更加深入的研究，因此为了研究这两种节点的受力性能和剪切破坏特征，笔者对6个方钢管混凝土柱节点试件进行了试验研究。在此基础上通过通用有限元软件ANSYS对方钢管混凝土柱内隔板式节点和外加强环式节点进行了三维非线性有限元分析，并与试验结果进行了对比，有限元分析结果与试验结果吻合较好，从而为方钢管混凝土柱内隔板式节点及外加强环式节点的抗弯、抗剪承载力研究奠定了分析基础。在此基础上笔者对方钢管混凝土柱外加强环式节点进行了参数分析，研究了轴压比、宽厚比、核心混凝土强度及混凝土楼板高度对节点受力性能的影响。
1 试验研究
1.1 试件概况
笔者对6个方钢管混凝土柱节点试件进行了试验研究，试件的具体情况如表1所示。CFRTJ-1与CFRTJ-2为非对称内隔板式节点，节点区采用三块内隔板。CFRTJ-3为对称的内隔板式节点，节点区采用两块内隔板。试件CFRTJ-4、CFRTJ-5为外加强环式节点，节点域内布置栓钉，直径10mm，间距60mm，高度60mm。
图1 试件CFRTJ-3主要尺寸
Fig. 1 Details of specimen CFRTJ-3
图2 试件CFRTJ-4主要尺寸
Fig.2 Details of specimen CFRTJ-4
其中CFRTJ-4节点域内栓钉布置为9排，CFRTJ-5节点域内栓钉布置为7排。CFRTJ-6为钢梁与方钢管混凝土柱直接焊接式节点，钢梁上未浇注混凝土楼板，同时也没有采取内隔板或外加强环等构造措施，仅在节点域内布置了9排10@60
φ的栓钉。试件CFRTJ-3、CFRTJ-4的主要几何尺寸如图1、图2所示，材性指标见表2和表3。
试件的钢材均采用Q345B，管内混凝土设计标
工程力学 101
号C40，混凝土楼板设计标号C35，板内钢筋为HPB235级。钢管由四块钢板拼焊而成，采用全熔透坡口焊缝形式。钢梁上下翼缘与柱壁的对接焊缝施焊时均设有垫板，垫板与柱壁点焊固定，施焊后未去掉垫板。钢构件加工完毕后，在钢梁与柱壁交界处焊接角钢，以便楼板钢筋与钢管进行焊接连接，管内混凝土及楼板混凝土均在实验室手工浇捣养护。
表1 试件的参数设置
Table 1 Parameters of specimens
试件编号CFRTJ-1 CFRTJ-2 CFRTJ-3 CFRTJ-4 CFRTJ-5 CFRTJ-6 楼板有无节点形式内隔板式外加强环式直接焊接式栓钉无10@60
φ
对称性非对称对称
表2 钢材的材料性能
Table 2 Material properties of steel
类型厚度或直径/mm 屈服强度y f/MPa极限强度u f/MPa伸长率δ/ %
6 393 539 21.2
钢板
8 526 608 14.3
钢筋 6 340 476 31.6
表3 混凝土的材料性能
梁自由端位移值的一半，在每级控制位移下反复两Fig. 4 Arrangement of deformation transducers
102 工 程 力 学
2 有限元计算模型
为了对方钢管混凝土柱内隔板式节点及外加强环式节点进行深入的研究，本文对试件CFRTJ-3~
CFRTJ-5进行了有限元模拟，并在此基础上对外加强环式节点进行了参数分析。有限元分析采用全模型建模，其基本的几何、物理参数与试验试件完全相同，即取柱轴压比0.3=n ，钢管管壁厚度8mm cf t =，核心混凝土强度,1500.67c cu f f =，混凝土楼板高度45mm c h =。
2.1 模型的简化
对于钢管壁与混凝土之间的粘结模拟，少数研究者在钢单元与混凝土单元之间加入了滑移单元或间隙单元，结果表明考虑界面之间的滑移性能对钢管混凝土结构的整体受力性能影响不大
[8,9]
，因此
在本次分析中，假定钢管壁与混凝土之间完全粘结，钢管的局部屈曲作用也不作考虑。试验实测表明，栓钉的应变在试验过程中数值很小，远未达到屈服，与内隔板及外加强环相比作用很小，因此在进行有限元分析时仅考虑内隔板及外加强环的作用，而对栓钉则不予考虑。
2.2 单元类型
钢管壁、钢梁采用shell181单元，该单元适用于分析从薄到中等厚度的壳结构。混凝土采用
solid65单元，可以考虑混凝土的开裂、压碎以及钢筋的弥散式分布。为降低运算资源的耗费，分析中钢筋混凝土楼板采用整体式模型，把钢筋分布于整
个单元中，并把单元视为连续均匀材料。为了提高计算效率，在有限元分析过程中不考虑钢梁与混凝土之间的滑移效应，采用beam4单元连接钢梁与钢筋混凝土楼板，将其弹性模量取为钢材弹性模量的
20倍，以便实现钢梁与混凝土楼板之间的刚性连接，从而忽略滑移效应造成的影响。
2.3 材料本构模型
根据文献[10]可知，钢板的应力-应变关系曲线可以采用三折线模型加以模拟。笔者对这一模型进行了简化处理，在ANSYS 中采用多线性随动强化
(MKIN)曲线来描述这一关系，如图5所示，图中
y A s
f E ε=，0.1u y
B s f f E ε?=，0.03
C ε=。
混凝土是一种易碎材料，在拉、压方向上具有不同的力学性质，各国学者对混凝土本构提出了不同的模式，如非线性理论、弹塑性理论等
[11]
，在
ANSYS 中混凝土的本构模型采用增量理论弹塑性本构模型，该模型描述了混凝土的主要特性，包括混凝土的开裂及压碎等行为特征。该弹塑性本构模型采用William-Warnker 五参数破坏准则、均匀硬化准则和相关流动准则。由于混凝土材料的复杂性，其本构关系也因为受力状态的不同而不同，在本文的节点试件中有2种不同的混凝土：核心混凝土和楼板混凝土。核心混凝土处于方钢管的围压作用下，因此采用文献[12]提出的方钢管混凝土柱核心混凝土的单轴抗压应力-应变关系曲线并对其进行简化，简化后的曲线如图6所示，由5个参数点和相应的直线段构成。楼板混凝土的单轴抗压应 力-应变关系曲线采用过镇海[13]提出的本构模型并进行简化，简化后的曲线如图7所示。在ANSYS 中采用多线性随动强化(MKIN)曲线来描述混凝土的应力-应变关系。
s
εf f A B
C
图5 钢板应力-应变关系曲线 Fig. 5 Stress - strain curve of steel
c
ε σc / M
P a
图6 核心混凝土应力-应变关系曲线 Fig. 6 Stress - strain curve of concrete in steel tube
c
ε 0
510152025303540
σc / M P a
图7 楼板混凝土应力-应变关系曲线 Fig. 7 Stress - strain curve of slab concrete
工程力学 103
2.4 模型的建立与求解
有限元分析采用全模型建模，网格划分如图8、图9所示。建模时，在柱端放置刚度很大的垫块，通过施加在该垫块上的均布面荷载来实现轴心受压。试件的约束条件为：约束柱顶对称中线的X、Y向平动自由度及X、Z向转动自由度；约束柱底对称中线的X、Y、Z向平动自由度及X、Z向转动自由度。
(a) 内隔板式节点整体网格划分图
(b) 内隔板网格划分图
图8 CFRTJ-3有限元模型
Fig.8 Finite element model of CFRTJ-3
求解时首先在柱顶施加轴压荷载，此后在梁端施加单调荷载或循环荷载。求解采用力、位移双收敛准则，应用Newton-Raphson平衡迭代法进行非线性求解，求解器选用预置条件共轭梯度求解器，打开自动时间步长控制及线性搜索。
(a) 外加强环式节点整体网格划分图
(b) 外加强环网格划分图
图9 CFRTJ-4有限元模型
Fig.9 Finite element model of CFRTJ-4
3 单调加载的非线性有限元分析
3.1 梁端荷载-位移曲线
单调加载作用下CFRTJ-3~CFRTJ-5的P?
?曲线与试验骨架曲线的比较如图10所示，其特征荷载对比结果如表4所示。由于有限元计算的曲线没有下降段，因此在极限承载力取值时取层间转角变形为0.06rad时对应的节点承载力为其极限承载力，
屈服承载力按照作图法[7]取值。表中，
,
ym FEA
P、,
um FEA
P分别表示单调加载作用下屈服承载力及极
限承载力的有限元计算值，
,y t
P、,u t
P分别表示屈服承载力及极限承载力的试验实测值。由表4可知，单调加载作用下的有限元分析结果与试验结果较为接近，平均误差在8.0%~17.8%。有限元计算梁端正向屈服承载力及极限承载力均大于试验结果，而反向屈服承载力则小于试验值，其主要原因在于：对于正向承载力，由于试验时混凝土楼板在反复荷载作用下不断开裂闭合，其强度将不断下降，而有限元分析单调加载时则不会出现这种情况，因而有限元计算正向承载力大于试验结果；对于反向承载力，试验时楼板钢筋与焊接在钢管壁上的角钢焊接连接，可以传递拉力，而有限元分析时为了提高计算效率，钢筋混凝土楼板采用整体式模型，把钢筋分布于整个混凝土单元中，无法将拉力直接传递给钢管，因此有限元计算结果偏小。虽然存在以上不利因素的影响，但是有限元分析结果与试验结果相差不大，可以以此为基础对方钢管混凝土柱节点进行参数分析。
3.2 节点剪力-剪切变形曲线
单调加载作用下CFRTJ-3~CFRTJ-5的
j j
Qγ?
曲线与试验骨架曲线的比较如图11所示，其特征荷载对比结果如表5所示。由于有限元计算的曲线
104
工 程 力 学
梁端荷载 / k N
梁端位移 / mm
梁端荷载 / k N
梁端位移 / mm
梁端荷载 / k N
(a) CFRTJ-3 (b) CFRTJ-4 (c) CFRTJ-5
图10 单调加载作用下有限元计算P ??曲线与试验骨架曲线的比较
Fig.10 Comparisons between experimental and finite element analysis results of P ?? curves under monotonic loadings
表4 单调加载作用下梁端承载力有限元计算结果与试验结果的比较
Table 4 Comparisons of beam end forces between experimental and finite element analysis results under monotonic loadings
屈服荷载 / kN
极限荷载 / kN
试件编号
加载方向
,ym FEA P
,y t P ,,ym FEA
y t
P P
平均 误差
,um FEA P
,u t P
,,um FEA u t
P P
平均 误差
+ 170.1 147.4 1.15
207.7 175.6 1.18 CFRTJ-3 - -134.3 -154.1 0.87 14.1%
-161.4
-169.4
0.95
11.5%
+ 163.0 158.9 1.03 192.9 187.6 1.03
CFRTJ-4 - -144.7
-180.1
0.80 11.1% -169.6 -195.4 0.87
8.0%
+ 172.3 150.8 1.14
213.1 174.6 1.22
CFRTJ-5 - -125.7 -159.8 0.79
17.8%
-164.5 -181.4 0.91
15.7%
3
/10 rad
j
γ ?Q j / k N
3
/10 rad
j γ?Q j / k N
3
/10 rad
j γ ?Q j / k N
(a) CFRTJ-3 (b) CFRTJ-4 (c) CFRTJ-5
图11 单调加载作用下有限元计算j j Q γ?曲线与试验骨架曲线的比较
Fig. 11 Comparisons between experimental and finite element analysis results of j j Q γ? curves under monotonic loadings
表5 单调加载作用下节点抗剪承载力有限元计算结果与试验结果的比较
Table 5 Comparisons of joint shear forces between experimental and finite element analysis results under monotonic loadings
试件编号
,jym FEA Q
,jy t Q
,,jym FEA jy t
Q Q
,jum FEA Q ,ju t Q
,,jum FEA ju t
Q Q
CFRTJ-3 1309.8 1065.7 1.23 1642.1 1301.1 1.26 CFRTJ-4 1208.1 961.3 1.26 1662.1 1514.0 1.10 CFRTJ-5 1143.9 1042.8 1.10 1688.2 1385.6 1.22
没有下降段，因此在极限承载力取值时取层间转角变形为0.06rad 时对应的节点承载力为其极限承载力，屈服承载力按照作图法[7]取值。表中，,jym FEA Q 、
,jum FEA Q 分别表示节点屈服剪力及极限剪力的有限
元计算值，,jy t Q 、,ju t Q 分别表示节点屈服剪力及极限剪力的试验实测值。由表5可知，单调加载作用下的有限元分析结果与试验结果存在一定的误差，平均误差在10%~26%。其中CFRTJ-3的j j Q γ?曲线与试验曲线相差最大，主要原因在于CFRTJ-3最后破坏为方钢管混凝土柱翼缘、腹板拼接焊缝的破坏，因此节点的剪切破坏并没有完全形成，而有限
元分析模型中并未考虑焊缝的影响，所以两者相差较大。CFRTJ-4、CFRTJ-5也存在类似的情况。虽然存在一定的误差，但是有限元计算曲线与试验实测曲线趋势相近，节点的剪切刚度基本相同，有限元分析结果对于进一步了解方钢管混凝土节点的剪切破坏机理具有理论意义。
3.3 其他分析结果
极限状态时节点CFRTJ-4的变形情况如图12(a)所示，由图可知，极限状态时节点试件的梁端位移主要由梁的变形及节点剪切变形引起，柱变形所占的比例很小，这一结论与试验结论一致，CFRTJ-3、
工程力学 105
CFRTJ-5情况类似。
(a) 极限状态时节点的变形图
(b) 屈服状态时CFRTJ-3部分钢结构应力云图
(c) 屈服状态时CFRTJ-4钢结构应力云图
(d) 弹性状态时节点核心区混凝土的应力云图
图12 有限元分析结果
Fig. 12 Finite element analysis results
屈服状态时节点CFRTJ-3部分钢管、钢梁的应力云图如图12(b)所示，由图可知，在内隔板式节点CFRTJ-3屈服时，部分钢管腹板、翼缘已经进入屈服状态，钢梁的角部翼缘也已经进入屈服状态，而此时内隔板尚未进入屈服状态。试验时CFRTJ-3的破坏情况与之类似，钢管腹板出现了剪切屈曲拉痕，钢管翼缘、钢梁角部翼缘焊缝均被拉开，但是试件最终破坏是由钢管翼缘腹板连接焊缝及钢梁钢管连接焊缝的拉裂导致承载力急剧下降引起的，这一点是有限元软件难以模拟的。
屈服状态时节点CFRTJ-4钢管、钢梁的应力云图如图12(c)所示，由图可知，在外加强环式节点CFRTJ-4屈服时，部分钢管腹板、外加强环进入了屈服状态，这与试验现象是吻合的，试验最终也是由节点剪切破坏及外加强环拉断引起的。
弹性状态时CFRTJ-4的节点核心区混凝土第三主应力云图如图12(d)所示，由图可知，在弹性阶段，混凝土形成一压杆以抵抗节点的水平剪力，这一有限元分析结果说明，采用压杆模型[14]对方钢管混凝土柱节点抗剪承载力进行分析是合理的。
4 循环加载的非线性有限元分析
4.1 梁端荷载-位移曲线
循环加载作用下CFRTJ-3~CFRTJ-5的P?
?曲线与试验滞回曲线的比较如图13所示。由图可知，有限元分析结果与试验曲线在承载力、位移、卸载刚度方面均吻合较好，仅加载刚度退化不如试验明显，这主要是由于ANSYS软件对于滞回特性计算的材料本构关系模型比较简单、无法反映材料的刚度退化现象所致。循环加载作用下的特征荷载对比结果如表6所示。由于有限元计算的曲线没有下降段，因此在极限承载力取值时取层间转角变形为0.06rad时对应的节点承载力为其极限承载力，屈服承载力按照作图法[7]取值。表中，
,
yc FEA
P、
,
uc FEA
P分别表示循环加载作用下屈服承载力及极限承载力
的有限元计算值，
,y t
P、,u t
P分别表示屈服承载力及极限承载力的试验实测值。由表6可知，循环加载作用下的有限元分析结果与试验结果吻合较好，平均误差在 4.2%~12.7%，小于单调加载时的误差，能够较为准确地模拟试验结果。
4.2 节点剪力-剪切变形曲线
循环加载作用下CFRTJ-3~CFRTJ-5的
j j
Qγ?
106 工 程 力 学
曲线与试验滞回曲线的比较如图14所示，其特征荷载对比结果如表7所示。由于有限元计算的曲线没有下降段，因此在极限承载力取值时取层间转角变形为0.06rad 时对应的节点承载力为其极限承载力，屈服承载力按照作图法[7]取值。表中，,jyc FEA Q 、
,juc FEA Q 分别表示节点屈服剪力及极限剪力的有限元计算值，,jy t Q 、,ju t Q 分别表示节点屈服剪力及极限剪力的试验实测值。
梁端荷载/ k N
梁端荷载 / k N
梁端位移 / mm
(a) CFRTJ-3 (b) CFRTJ-4 (c) CFRTJ-5
图13 循环加载作用下有限元计算P ??曲线与试验骨架曲线的比较
Fig. 13 Comparisons between experimental and finite element analysis results of P ?? curves under cyclic loadings
表6 循环加载作用下梁端承载力有限元计算结果与试验结果的比较
Table 6 Comparisons of beam end forces between experimental and finite element analysis results under cyclic loadings
j Q j / k N
j
(a) CFRTJ-3 (b) CFRTJ-4 (c) CFRTJ-5
图14 循环加作用下有限元计算j j Q γ?曲线与试验骨架曲线的比较
Fig. 14 Comparisons between experimental and finite element analysis results of j j Q γ? curves under cyclic loadings
表7 循环加载作用下节点抗剪承载力有限元计算结果与试验结果的比较
Table 7 Comparisons of connection shear capacities between experimental and finite element analysis results
under cyclic loadings
试件 编号
加载 方向
,jyc FEA Q
,jy t Q
,,jyc FEA jy t
Q Q
平均 误差
,juc FEA Q ,ju t Q
,,juc FEA ju t
Q Q
平均 误差
+ 1119.1 1065.7 1.05
1547.4 1301.1 1.19
CFRTJ-3 - -1174.7 -1030.6 1.14 9.5%
-1559.0 -1314.4 1.19 18.8%
+ 1026.7 961.3 1.07
1556.1 1514.0 1.03
CFRTJ-4 - -1155.6 -1078.2 1.07 7.0%
-1560.0 -1518.1 1.03 2.8%
+ 1123.6 1042.8 1.08
1553.6 1385.6 1.12
CFRTJ-5
- -1158.7 -1109.1 1.04
6.1%
-1564.7 -1403.1 1.12
11.8%
由表7可知，循环加载作用下的有限元分析结果与试验结果存在一定的误差，平均误差在
2.8%~18.8%，小于单调加载时的误差。有限元计算
曲线与试验曲线相差较大的原因与单调加载时相同，主要在于有限元分析模型中并未考虑试验中出现的焊缝及板件拉裂造成的影响，试验最终破坏时
工 程 力 学 107
节点剪切变形并未得到充分的发展。 4.3 节点的耗能性能分析
循环加载作用下耗能性能的有限元计算结果与试验结果的比较如图15所示，平均等效粘滞阻尼系数的有限元计算结果与试验结果的比较如表8所示。表中，,e FEA h 表示平均等效粘滞阻尼系数的有限元计算结果，,e t h 表示平均等效粘滞阻尼系数的试验结果。由图表分析可知，有限元计算结果与试验结果在耗能性能上虽然存在一定的误差，但是其耗能规律基本上是一致的，各试件每半周耗散的能量都随着半周数的增大而增大，这是呈梭形的滞回环的耗能特征，要比钢筋混凝土结构中常见的捏拢
型滞回环的耗能性能好得多。
表8 循环加载作用下平均等效粘滞阻尼系数有限元计算
结果与试验结果的比较
Table 8 Comparisons between experimental results and finite
element analysis results of average equivalent adhesive
damping coefficients under cyclic loadings
试件编号
,e FEA h
,e t h
,,e FEA e t
h h
CFRTJ-3 0.106 0.153 0.69 CFRTJ-4 0.222 0.186 1.19 CFRTJ-5 0.178 0.155 1.15
半周数
能量 / N m 能量/k N ·m m
半周数
累计能量 / N
m 累计能量/k N ·m m
循环数
等效粘滞阻尼系数
(a) CFRTJ-3
1000012000140001600018000
半周数
能量 / N m 能量/k N ·m m
半周数
累计能量 / N m 累计能量/k N ·m m
循环数
等效粘滞阻尼系数
(b) CFRTJ-4
半周数
能量 / N m 能量/k N ·m m
半周数
累计能量
N m 累计能量/k N ·m m
0循环数
等效粘滞阻尼系数
(c) CFRTJ-5
图15 循环加载作用下耗能性能有限元计算结果与试验结果的比较
Fig.15 Comparisons between experimental and finite element analysis results of energy dissipation capacities under cyclic loadings
5 参数分析
为了深入研究方钢管混凝土柱节点的受力性能，了解各参数对节点的影响，笔者对外加强环式节点CFRTJ-4进行了参数分析。虽然单调加载作用下的有限元计算结果与试验结果的误差比循环加载作用下的有限元计算结果误差大，但是其计算效率较高，误差也在可接受范围之内，因此参数分析以CFRTJ-4单调加载为基础，分别研究了轴压比、宽厚比、核心混凝土强度及混凝土楼板高度对节点受力性能的影响。参数分析的标准模型为单调加载作用下CFRTJ-4的计算模型，计算时取方钢管混凝土柱的轴压比0.3=n ，钢管管壁厚度8mm cf t =，核
心混凝土强度,15053.4MPa cu f =，混凝土楼板高度
45mm c h =。在进行参数分析时仅改变一个参数，
并保持其他参数不变，从而可以研究相应参数对节点受力性能的影响。
5.1 轴压比
保持其他参数不变，仅改变方钢管混凝土柱的轴压比，分别变为0、0.6和0.8，其计算结果如图
16所示，图中n 表示轴压比。由图可知，轴压比较小时，节点试件的P ??曲线及j j Q γ?曲线较为接近，而在轴压比较大时，其差异比较明显，轴压比越大，其承载力越低。当柱的轴压比从0、0.3变化为0.6、0.8时，节点试件的破坏模式将随之发生改
108 工 程 力 学
变，由节点域的剪切破坏模式转化为柱的压弯破坏模式，因此轴压比较大时节点的j j Q γ?曲线发展并不充分，而且节点的正反向P ??曲线也有所不同。
梁端位移 / mm
梁端荷载 / k N
(a) P ??曲线
03
/10 rad j γ ? Q j / k N
(b) j j Q γ?曲线
图16 不同轴压比作用下的P ??曲线及j j Q γ?曲线 Fig.16 P ?? curves and j j Q γ? curves with different
compression ratios
梁端位移 / mm
梁端荷载 / k N
(a) P ??曲线
03 /10 rad
j γ ? Q j / k N
(b) j j Q γ?曲线
图17 不同宽厚比条件下的P ??曲线及j j Q γ?曲线 Fig. 17 P ?? curves and j j Q γ? curves with different
width to thickness ratios
5.2 宽厚比
保持其他参数不变，仅改变方钢管混凝土柱的厚度，分别变为6mm 、10mm 和12mm ，其计算结
果如图17所示，图中cf t 表示方钢管的管壁厚度。
由图可知，宽厚比对节点试件的承载力影响较为显著，在其他参数不变的情况下，节点的承载力随着钢管管壁厚度的增大而增大，而在相同变形的情况下，节点剪切变形对于梁端位移的贡献比例随着钢管管壁厚度的增大而减小。
5.3 核心混凝土强度
保持其他参数不变，仅改变方钢管混凝土柱的核心混凝土强度,150cu f ，分别变为33.4MPa 、
43.4MPa 、63.4MPa 和73.4MPa ，其计算结果如图
18所示，图中C53.4表示核心混凝土的150mm 立方体抗压强度平均值,15053.4MPa cu f =。由图可知，方钢管混凝土柱的核心混凝土强度对节点试件的
影响明显没有轴压比及宽厚比的影响大。随着方钢管混凝土柱核心混凝土强度的提高，节点试件的承载力仅略有提高，同时节点试件的刚度也有一定程度的提高。
梁端位移 / mm
梁端荷载 / k N
(a) P ??曲线
03 /10 rad
j γ? Q j / k N
(b) j j Q γ?曲线
图18 不同核心混凝土强度条件下的P ??曲线及j j Q γ?曲线
Fig. 18 P ?? curves
and j j Q γ? curves with different concrete strengths in the square steel tube
5.4 混凝土楼板高度
保持其他参数不变，仅改变混凝土楼板高度，分别变为80mm 和120mm ，其计算结果如图19所示，图中c h 表示混凝土楼板的高度。由图可知，混凝土楼板高度的改变仅对梁端的正向承载力有影响，而对其反向承载力影响不大，这与混凝土抗压强度高而抗拉强度低的特性是保持一致的。随着混凝土楼板高度的增大，节点的梁端正向承载力及刚
度随之增大，而其反向承载力及刚度则无明显变化。
梁端位移 / mm
梁端荷载 / k N
(a) P ??曲线
0-3 /10 rad
j γ Q j / k N
(b) j j Q γ?曲线
图19 不同混凝土楼板高度条件下的P ??曲线及j j Q γ?曲线
Fig. 19 P ?? curves
and j j Q γ? curves with different heights of the concrete slab
6 结论及建议
(1) 采用非线性有限元理论研究了单调加载及循环加载作用下方钢管混凝土柱内隔板式节点及外加强环式节点的受力性能，计算结果与试验结果吻合较好，从而验证了模型中采用的单元类型、材料本构及破坏准则的可行性和合理性，也进一步明确了方钢管混凝土柱节点的力学性能和工作机理，为理论分析提供了参考依据。
(2) 参数分析结果表明：轴压比较大时，轴压比对节点试件的承载力有较大的削弱；节点试件的承载力随方钢管管壁厚度的增大而增大；核心混凝土强度对节点试件的影响较小，随着核心混凝土强度的提高，节点试件的承载力仅略有提高，同时节点试件的刚度也有一定程度的提高；混凝土楼板高度增大时，节点的梁端正向承载力及刚度随之增大，而其反向承载力及刚度则无明显变化。
(3) 有限元分析结果与试验结果尚存在一定的误差，这主要是由两方面原因造成的：一是由于有限元软件中对于焊缝难以模拟，而试验时焊缝开裂导致试件的承载力急剧下降，呈脆性破坏，因而节点剪切变形难以充分发展，所以有限元分析结果与试验结果存在一定的误差；二是由于ANSYS 软件
自身提供的材料本构模型有限，对于混凝土开裂闭合后的强度下降以及材料在反复荷载作用下的刚度退化现象均难以模拟，因而试验中出现的加载刚
度退化现象在有限元分析中无法反映，且有限元分析结果与试验结果在滞回特性和耗能性能方面也存在一定的差异。 参考文献：
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论述钢管混凝土柱的几种常用节点形式 发表时间：2015-09-25T11:20:14.227Z 来源：《基层建设》2015年6期供稿作者：史绍鑫郭丽丽 [导读] 齐齐哈尔龙铁建筑安装股份有限公司钢管混凝土柱是以钢管和混凝土两种建筑施工材料相互配合形成的复合材料。 史绍鑫郭丽丽 齐齐哈尔龙铁建筑安装股份有限公司 摘要：随着建筑物朝着高层、超高层的方向不断发展，钢管混凝土凭借其良好的力学性能和耐久性得到工程施工人员的关注。但具体工程施工中，钢管混凝土柱节点施工质量一直难以得到有效控制，成为严重制约这一混凝土施工技术推广及普及主要因素。本文就钢管混凝土柱的集中常见节点施工形式进行分析。 关键词：钢管混凝土；建筑结构；施工技术；节点形式 近年来，建筑高层化、多层化和超高层化趋势越来越明显，给各种施工新技术、新材料的应用提供了市场基础。钢管混凝土在这种时代背景下以优良的力学性能、较好的耐久性等优势被人们重视，但在具体施工中梁柱节点施工问题一直是制约其发展与推广的主要问题。节点作为建筑结构连接最薄弱的环节之一，确定结构设计合理与否是施工质量控制的重点，因此在这里我们有必要对此类施工技术分析。 一、钢管混凝土柱施工优越性 钢管混凝土柱是以钢管和混凝土两种建筑施工材料相互配合形成的复合材料，这种材料由于钢管柱与混凝土两种材料性能的优势互补，充分发挥两种材料各自的优越性能来改变传统混凝土结构塑性、韧性不佳问题，同时有效避免了局部屈曲的问题，使得整个混凝土结构承载力、塑性和韧性得到有效的保证。在当今建筑工程项目中，钢管混凝土柱施工技术广泛的应用在地震频率较高的地区，有效解决了因为地震荷载而引起的建筑物脆性破坏，大幅度提升了建筑结构的整体强度、降低了工程造价。 二、钢管混凝土柱常见的节点形式与施工要点 由于钢管混凝土柱与普通梁板结构连接、预应力梁板连接结构复杂，施工难度大、质量问题多，因此一直以来这一施工内容都深受业界重视，由此也促使了很多节点施工新方法、新内容形成。在当今节点施工中常见的方法包含了加强环式节点、连接双梁式节点、梁端局部加宽式节点、环梁式节点、半穿心式节点等。 1、加强环式节点 （1）加强环式节点是钢管混凝土柱在施工中利用上下钢板加强环传递结构弯矩应力的一种施工方法，同时在一些特殊环境的工程施工中还会在加强环之间设置放射状的加劲肋板，并且将加劲肋板同上下加强环结构焊接成一个整体，从而达到应力科学、合理传递的目的。在这种节点施工当中，加强环的厚度、宽度是根据梁端纵筋的强度为标准的，且最小宽度不能小于连接宽度的70%。 （2）加强环式节点施工技术在应用中具备着刚度大、承载能力强且无需要其他部件穿过结构的一种施工方法，因此在具体的工程施工中特别适用于那些直径小、承载力低的工程建设领域。尤其在那些多层建筑结构施工中，这种节点施工方法的选择能实现钢管混泥土柱一次浇筑成型的施工要求，且由于管道内部不存在障碍物，使得整个混凝土柱的质量得到有效保证。 （3）在施工中，如果钢管的直径比较大的时候，加强环式节点施工方法选用上要做一定的改动，要增加钢板加强环的钢材用量。同时还需要注意，由于梁端的纵筋和钢板之间本身的焊接工作量大，因此要高度重视焊接工作及焊接缝的控制。 2、连接双梁式节点 （1）连接双梁式节点在应用中通常都提前设置一个I形状的承载钢柱，这一钢柱通常都是在钢管外侧沿着应力传递方向配合梁体结构主筋浇筑同步进行的。在具体施工操作中，钢筋混凝土梁结构必须要一分为二，且分别布置在钢管的两侧，这个时候连接梁的四个主轴方向的轴端只是承担荷载力度，而不承担弯矩力和其他应力，其牛腿的抗弯强度也并不是很大，有效减少了节点区域钢管、混凝土的连接宽度，也避免了钢管混凝土柱混凝土施工缝的出现，有效的缓解了裂缝的出现率，提高节点区域的整体性和质量。 （2）连接双梁式节点梁的纵向钢筋无须穿过钢管，不用打弯，施工方便；且楼板的实际跨度减少，配筋较省。 （3）这种节点是通过牛腿传递剪力的，应力较集中。 3梁端局部加宽式节点 （1）梁端局部加宽式节点是以纵向钢筋连续绕过钢管的构造形式来实现的。在开始加宽处须增设附加箍筋将纵向钢筋包住，梁端局部加宽式节点的钢牛腿与普通钢筋混凝土梁的搭接过渡区能可靠传递梁端内力，钢牛腿既参与抗弯又参与抗剪。 （2）本节点传力途径明确、可靠，现场焊接量少，施工较为方便。 （3）这种节点均通过牛腿传递剪力，应力较集中。 4、环梁式节点 环梁式节点是对钢板加强环节点的改进，其形式是绕钢管设置一钢筋混凝土环梁用于传递弯矩；在环梁中部或底部钢管外表面贴焊一环形钢筋，用于传递剪力。 4.1、环梁式节点与加强环节点的异同 （1）节点不设置任何穿心构件，梁端剪力经管壁间接传递给核心混凝土；梁端纵向钢筋的拉力亦为间接传递。 （2）不同点是加强环式节点的加强环及加劲肋用钢板制作，加强环与梁端纵向钢筋需现场焊接；而环梁的材料是钢筋混凝土，与楼层梁板整体浇筑，框架梁的纵向钢筋可锚固在环梁内，无须现场焊接，施工方便，造价低。 4.2环梁式节点的缺点 （1）由于框架梁端弯矩是通过环梁间接传递的，环梁顶面的裂缝方向大体与框架梁的轴线垂直，且在框架梁与环梁的连接处，存在应力集中现象；钢筋混凝土梁材料为各向异性，若无加强措施，某些截面可能会过早破坏或出现较大的裂缝。 （2）由于梁端剪力亦为间接传递，即通过抗剪环筋及其贴焊焊缝传给管壁，再经管壁传给核心混凝土，当环梁出现裂缝或局部破坏时，抗剪环筋的抗剪承载力将大幅度减低。 5、半穿心式节点 半穿心式节点的特点是采用半穿心抗剪暗牛腿和在角部增设4个抗弯牛腿。牛腿的腹板深入钢管四分之一管径即可满足锚固要求；当柱
试论某高层建筑钢管混凝土梁柱节点设计摘要：本文根据某高层建筑为工程案例，主要针对钢管混凝土梁柱的节点设计进行阐述，通过合理设计，高层建筑采用钢管混凝土柱可取得较可观的经济效益。 关键词：高层建筑；钢管混凝土柱；梁柱节点 abstract: in this paper, according to a high-rise building for project cases, mainly in steel tube concrete beam-column node design is expounded, through the reasonable design, high building the concrete-filled steel tube column can be achieved considerable economic benefit. keywords: high building; concrete-filled steel tube column; beam-column joints 中图分类号：tu97文献标识码： a 文章编号： 一、项目概况 本项目包括住宅、办公、酒店、商场等。地下2层，最大深度10.6m，裙楼为4层，局部5层，裙楼天面高度为20.5m。 本工程为带转换层、多塔双重复杂高层建筑。结构布置利用建筑楼梯间、电梯间、设备间设置剪力墙筒体，核心筒贯通建筑物全高。在转换层以上，竖向构件采用一般剪力墙，由于建筑使用要求，转换层以下墙体收为框支柱，根据建筑布局，转换层以下另外布置一些落地剪力墙，满足转换层上下层侧向刚度比的要求。
钢管混凝土柱环梁节点及其应用 摘要：本文介绍了钢管混凝土柱环梁节点的构造和基本受力机理。通过合理设计，环梁节点能有效地传递框架梁端的剪力和弯矩，具有良好的变形能力和耗能能力，可以实现“强节点、弱构件”的抗震概念设计。简要介绍了环梁节点的设计方法及其在房屋建筑中的应用。 关键词：钢管混凝土柱环梁节点房屋建筑 一、引言 钢管混凝土柱作为一种性能优异的结构构件，与钢筋混凝土柱和钢柱相比，在许多方面有突出的优点。目前，用于我国房屋建筑中的钢管混凝土柱与混凝土梁连接节点的主要形式有：上下环板牛腿式、双梁式、梁端局部加宽式、对穿暗牛腿式、穿心钢筋暗牛腿式、暗牛腿-环梁组合节点、钢筋混凝土环梁节点等。这些节点形式各有优越性和不足,都已有一定的试验研究。 二、环梁节点的构造形式及特点 钢筋混凝土环梁节点的构造形式是在环梁高度范围内，沿钢管壁贴焊一道（或两道）钢筋作为抗剪环。抗剪环为通过连续的双面焊缝牢固焊于钢管壁上的闭合钢筋环或闭合带钢环。钢筋直径d或带钢厚度b一般在20-30mm左右。抗剪环与环形牛腿一样，实为钢管柱的环形凸缘（法兰盘）。基于与环形牛腿同样的考虑，沿抗剪环需设置与楼盖结构等厚的闭合混凝土环梁或与之相当的混凝土托盘，与钢管柱紧密箍抱，楼盖粱的纵筋则锚固于环梁内，借助环梁传递弯矩。 该节点节点无需穿心构件；钢管内、外无需设置加劲环，不影响钢管内混凝土浇注；环梁箍筋无方向性，便于与任意角度的混凝土梁连接。 三、环梁节点的受力机理 1、梁端剪力传递 框架梁梁端剪力主要通过三个途径传递给钢管混凝土柱： （1）通过环梁混凝土与抗剪环接触面的局部承压作用力将剪力由环梁传递到抗剪环上，并通过抗剪环与钢管间的焊缝将剪力传递到钢管上。由于抗剪环钢筋直径一般不大，由剪力引起的对钢管壁的局部弯矩很小。由于焊缝作用力可以保证，设计时以抗剪环的作用力为主进行抗剪验算。 （2）环梁混凝土与钢管之间的粘结作用。粘结作用力虽然很大，但在地震作用下难以保证，一般不予考虑，仅作为安全储备。
高层建筑中的钢管混凝土柱及其节点 摘 要：我国一些高层建筑采用了钢管混凝土柱，取得了较好的技术和经济效果。本文主要综合介绍用于高层建 筑的钢管混凝土柱及其节点的形式，供设计时参考。关键词：高层建筑；钢管混凝土柱；钢管混凝土柱节点 在高层建筑中使用钢管混凝土柱具有其特殊优 "概述 钢管混凝土是在钢管中填充混凝土，利用钢管 点：用钢管混凝土柱代替普通钢筋混凝土柱，可以使柱截面大大缩小，而且可以提高抗震性能，方便施工等；利用钢管混凝土柱代替钢结构中的钢柱，可以减少用钢量，加强结构刚度；在高层建筑多层地下室的逆作法施工中，它更充当重要的角色。广州市的好世界广场大厦（##层，图!$），新中国大厦（%&层， 图!’），合银大厦（("层，图!)），深圳的赛格广场（*"层，图等大型高层建筑，都以不同的形式采用了钢管混!+） 凝土柱，部分还将之构成内框筒或用于逆作法建造多层地下室，在技术上和经济上均取得很好的效果。 对填心混凝土的套箍作用，使核芯混凝土受纵向压力时处于三向受力状态，从而提高其轴向抗压能力。钢管混凝土结构除强度高外，还有重量轻、延性好、［!］ 耐疲劳和冲击、省料和施工方便等优点。 由于钢管混凝土结构具有上述优点，因此在民用和工业建筑、桥梁和地铁等工程中得到广泛的应用。近年来，随着我国高层建筑的发展，利用钢管混凝土作为其主要承重柱的也逐渐增多。 !
好世界广场大厦" 新中国大厦 图" $合银大厦#赛格广场 采用钢管混凝土柱的高层建筑 高层建筑中使用的钢管混凝土柱主要是圆形截面的，但有时也会采用其他截面型式而形成异型柱。我国对圆形截面钢管混凝土柱已有深入的系统研究［!，"，#］和实践经验，而对异型截面柱的研究则比较少， 的节点形式，为在高层建筑中推广应用钢管混凝土柱提供了更广阔的空间。 本文主要就高层建筑中所采用的钢管混凝土柱及其节点的形式和应用作一扼要的综合介绍。 应用也还不很多。 钢管混凝土柱与楼盖连结的节点，是实际应用中的一个重要部分。当它与钢结构楼盖连结时，构造比较简单，但与钢筋混凝土楼盖连结时则比较复杂，甚至影响了对它的使用，因此不少单位开展了这方面的研究，并已取得了可观的成果，提出了多种多样 我国在改革开放以来，高层建筑在数量上不断增加，高度也不断加高，而建造高层建筑大多数采用钢筋混凝土结构，结构自重很大， !钢管混凝土柱 !""!年#月第#期容柏生：高层建筑中的钢管混凝土柱及其节点 1@A!""!AB)# 加，柱的轴压力就越大，加上抗震设防的需要，为保证构件的延性，有关规范对钢筋混凝土柱均有控制轴压比（!"!#$"）的要求，同时混凝土的强度等级只做到#$"或再高一些，
191 附录G RC 梁－圆钢管混凝土柱节点环梁承载力设计方法 G.1 节点环梁受拉环筋和箍筋的计算 G.1.1 当环梁（图G.1.1）上部环向钢筋的直径相同、水平间距相等时，环梁受拉环筋面积及箍筋单肢面积按下式计算： 1 不考虑楼板的有利作用 2 1 2sin 7sin θλθ≥ (G.1.1-1) k sh dp yh r 22202r 51.4{sin sin [sin()sin ]} 7M A R r f l l αθλθλθαθ≥ -+++- (G.1.1-2) 2 考虑楼板的有利作用 12 21 2sin 7sin βθλβθ≥ (G.1.1-3) k sh dp yh r 22202213r 5 1.4{sin sin [sin()sin ]} 7M A R r f l l λαθθλθαθβββ≥ -+++- (G.1.1-4) 在负弯矩作用下，β1取0.5， β2取0.65， β3取0.6；正弯矩作用下取β1=β2=β3=1.0。 3 环梁箍筋单肢面积 sv yh sh H v yv 0.7/()A f A f λγα= (G.1.1-5) 式中：λ ——剪环比，为环梁箍筋名义拉力与环梁受拉环筋名义拉力的比值， v h /F F λ=，可取0.35～ 0.7，不考虑楼板的作用时取较高值，考虑楼板的作用时取较低值； F h ——受拉环筋的名义拉力，h yh sh 0.7F f A =； f yh ——环向钢筋抗拉强度设计值； A sh ——环向钢筋的截面面积； F v ——环梁箍筋的名义拉力，v v sv yv H F A f αγ=； f yv ——箍筋抗拉强度设计值； H γ ——箍筋间夹角（弧度），H h /(/2)S r b γ=+； S ——环梁中线处箍筋间距； A sv ——环梁箍筋单肢面积； αv ——闭合箍筋计算系数，按表G.1.1取值； M k ——由实配钢筋计算得出的框架梁梁端截面弯矩； αdp ——修正系数，取αdp =1.3； l r ——环梁受拉环筋合力作用点到受压区合力点的力臂，取l r =min{0.87h r0，h r -50mm}；
高层建筑中使用的钢管混凝土柱主要是圆形截面的，但有时也会采用其他截面型式而形成异型柱。我国对圆形截面钢管混凝土柱已有深入的系统研究 和实践经验［!，"，#］，而对异型截面柱的研究则比较少， 应用也还不很多。 钢管混凝土柱与楼盖连结的节点，是实际应用中的一个重要部分。当它与钢结构楼盖连结时，构造比较简单，但与钢筋混凝土楼盖连结时则比较复杂，甚至影响了对它的使用，因此不少单位开展了这方面的研究，并已取得了可观的成果，提出了多种多样 的节点形式，为在高层建筑中推广应用钢管混凝土柱提供了更广阔的空间。 本文主要就高层建筑中所采用的钢管混凝土柱及其节点的形式和应用作一扼要的综合介绍。 !钢管混凝土柱 我国在改革开放以来，高层建筑在数量上不断增加，高度也不断加高，而建造高层建筑大多数采用钢筋混凝土结构，结构自重很大，随着建筑高度的增 !好世界广场大厦"新中国大厦 图" 采用钢管混凝土柱的高层建筑 #赛格广场 $合银大厦"概述 钢管混凝土是在钢管中填充混凝土，利用钢管 对填心混凝土的套箍作用，使核芯混凝土受纵向压力时处于三向受力状态，从而提高其轴向抗压能力。钢管混凝土结构除强度高外，还有重量轻、延性好、 耐疲劳和冲击、省料和施工方便等优点［!］ 。 由于钢管混凝土结构具有上述优点，因此在民用和工业建筑、桥梁和地铁等工程中得到广泛的应用。近年来，随着我国高层建筑的发展，利用钢管混凝土作为其主要承重柱的也逐渐增多。 在高层建筑中使用钢管混凝土柱具有其特殊优 点：用钢管混凝土柱代替普通钢筋混凝土柱，可以使柱截面大大缩小，而且可以提高抗震性能，方便施工等；利用钢管混凝土柱代替钢结构中的钢柱，可以减少用钢量，加强结构刚度；在高层建筑多层地下室的逆作法施工中，它更充当重要的角色。广州市的好世界广场大厦（##层，图!$），新中国大厦（%&层，图!’），合银大厦（("层，图!)），深圳的赛格广场（*"层，图!+） 等大型高层建筑，都以不同的形式采用了钢管混凝土柱，部分还将之构成内框筒或用于逆作法建造多层地下室，在技术上和经济上均取得很好的效果。 高层建筑中的钢管混凝土柱及其节点 容柏生 ,广东省建筑设计研究院 广州%!--!-. 摘 要：我国一些高层建筑采用了钢管混凝土柱，取得了较好的技术和经济效果。本文主要综合介绍用于高层建 筑的钢管混凝土柱及其节点的形式，供设计时参考。关键词：高层建筑；钢管混凝土柱；钢管混凝土柱节点 广东土木与建筑 /012/342/156789:6905:68;8<:2/82::582/!##!年"月 第"期=12!##! 2>?"#
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)实用新型专利 (10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201920214392.X (22)申请日 2019.02.19 (73)专利权人 山东兴华建设集团有限公司 地址 266555 山东省青岛市黄岛区漓江西 路679号 (72)发明人 赵文涛 陈相宇 马岚 李志生 曲美娟 (74)专利代理机构 青岛智地领创专利代理有限 公司 37252 代理人 陈海滨 (51)Int.Cl. E04B 1/30(2006.01) E04B 1/58(2006.01) (54)实用新型名称 一种装配式钢管混凝土组合节点结构 (57)摘要 本实用新型公开一种装配式钢管混凝土组 合节点结构，包括异形混凝土柱机构、悬挑梁、第 一H型钢梁和加固组件，异形混凝土柱机构包括 第一方钢管和第一槽钢柱，多个第一方钢管连接 成异形方管组件，第一槽钢柱与异形方管组件焊 接，第一槽钢柱上开设有第一槽口和第二槽口； 悬挑梁包括上悬板、下悬板和中立板，上悬板和 下悬板之间连接中立板；上悬板的前部卡接到第 一槽口内并与第一槽钢柱固连，下悬板的前部卡 接到第二槽口并与第一槽钢柱固连；第一H型钢 梁的中部连接有伸出板，第一H型钢梁通过伸出 板与中立板相连，第一H型钢梁通过加固组件连 接上悬板和下悬板。该节点结构整体的抗震性能 优越，能显著提高钢框架结构的延性和耗能能 力。权利要求书1页 说明书4页 附图5页CN 209891402 U 2020.01.03 C N 209891402 U
权 利 要 求 书1/1页CN 209891402 U 1.一种装配式钢管混凝土组合节点结构，其特征在于，包括异形混凝土柱机构、悬挑梁、第一H型钢梁和加固组件，异形混凝土柱机构包括第一方钢管和第一槽钢柱，多个第一方钢管连接成异形方管组件，第一槽钢柱的开口端与异形方管组件焊接，第一槽钢柱的侧端面上开设有第一槽口和第二槽口； 悬挑梁包括上悬板、下悬板和中立板，上悬板的中部和下悬板的中部之间连接中立板；上悬板的前部卡接到第一槽口内并与第一槽钢柱固连，下悬板的前部卡接到第二槽口并与第一槽钢柱固连； 第一H型钢梁的中部连接有伸出板，第一H型钢梁通过伸出板与中立板相连，第一H型钢梁通过加固组件连接上悬板和下悬板。 2.根据权利要求1所述的一种装配式钢管混凝土组合节点结构，其特征在于，所述第一H型钢梁包括上翼缘板、腹板和下翼缘板，腹板连接在上翼缘板和下翼缘板之间，伸出板连接在腹板的后端。 3.根据权利要求1所述的一种装配式钢管混凝土组合节点结构，其特征在于，所述上悬板的前部开设有第一槽孔，下悬板的前部开设有第二槽孔。 4.根据权利要求2所述的一种装配式钢管混凝土组合节点结构，其特征在于，所述加固组件包括上加固板、下加固板、侧加固槽钢板和外固定板，上悬板的后部开设有第一连接孔，下悬板的后部开设有第二连接孔，中立板的后部开设有第三连接孔； 伸出板上开设有第四连接孔，上翼缘板上开设有第五连接孔，下翼缘板上开设有第六连接孔； 上加固板上开设有第七连接孔，侧加固槽钢板上开设有第八连接孔，下加固板上开设有第九连接孔。 5.根据权利要求4所述的一种装配式钢管混凝土组合节点结构，其特征在于，所述上加固板通过第一螺栓与上翼缘板、上悬板及侧加固槽钢板相连； 侧加固槽钢板通过第二螺栓与中立板及伸出板相连；下加固板通过第三螺栓与下翼缘板及下悬板相连。 6.根据权利要求4所述的一种装配式钢管混凝土组合节点结构，其特征在于，所述外固定板为方钢板，外固定板设置在腹板和中立板的外侧，外固定板与上翼缘板、上悬板、侧加固槽钢板、下翼缘板及下悬板焊接。 7.根据权利要求1所述的一种装配式钢管混凝土组合节点结构，其特征在于，所述上悬板的前部与第一槽钢柱的外壁焊接，下悬板的前部与第一槽钢柱的外壁焊接；第一方钢管和第一槽钢柱内均浇筑有混凝土。 8.根据权利要求1所述的一种装配式钢管混凝土组合节点结构，其特征在于，所述上悬板、下悬板和中立板均为长方形钢板，上悬板和下悬板的长度值相同，上悬板的长度值大于中立板的长度值。 2
钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁连接节点设 计 第2期 2007年2月 广东土木与建筑GUANGDONGARCHITECTURECIVILENGINEERING № FEB2O07 钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁连接节点设计 黄斌 (深圳市方佳建筑设计有限公司深圳518031) 摘要:本文推荐一种钢管混凝土柱与钢筋混凝土粱节点做法,使钢管在节点区是连续的,节点刚性不受影响, 粱可以可靠地传递内力,与其它节点做法相比,具有施工方便和节约材料的优点. 关键词:钢管混凝土柱;钢管混凝土叠合柱;钢管开穿梁钢筋小孔;梁柱节点构造 1概述 钢管混凝土柱使钢管与混凝土改变了各自本身 的材料性质.共同成为一种新的复合材料.该结构形 式以卓越的承载能力和变形能力.在工程中得到越 来越多的应用.在此基础上近年又陆续有不少工程 采用钢管混凝土叠合柱和钢管混凝土组合柱等 由于工程中往往仅在框架柱中采用钢管混凝 土.而框架梁则采用普通钢筋混凝土.故两者的连接 节点成为工程中的难点之一目前常用的连接节点 有钢牛腿法,双梁法,环梁法,钢管开大洞后补强法 及纯钢筋混凝土节点法等.双梁法和环梁法对梁之
间内力传递的可靠性有一定影响:钢管开大洞后补强法及纯钢筋混凝土节点法使得钢管在节点区不连续.难以保证节点原有的刚性:钢牛腿法对钢材消耗量大.现场焊接施工量大 以上列举的连接节点均存在一定程度的不足. 本文推荐一种在钢管上开穿钢筋小孔的连接节点. 通过模型试验为基础的理论分析.并经过多个工程实践的检验.证明它具有可靠和经济实用的优点 2钢管开小孔连接节点的优点 2.1钢管开小孔后对钢管截面削弱不大.梁钢 筋穿过小孔后剩余的缝隙很小.钢管对管芯混 凝土的约束力基本没减小.不影响钢管混凝土 柱的承载能力和变形能力 2.2梁钢筋直接穿过钢管后.梁可以可靠地传 递内力.梁长范围内的刚度保持不变.结构受 力分析与实际相同而钢牛腿法和钢管开大洞 后补强法.在梁端范围内有相当长度的型钢. 使得梁刚度发生急剧变化 2.3在设置水平加强环和竖向短加劲肋补强后.钢 管在节点区是连续的.节点刚性不受影响.满足"强节点弱构件"的要求 2.4现场施工较方便.即使圆弧形的梁钢筋也可顺 利穿过 2.5节点补强所用材料比钢牛腿法和钢管开大洞法大幅减少.有利于降低造价 3钢管开小孔的连接节点构造 钢管开小孔的连接节点构造如图1.其要点如下: (1)钢管开小孔:小孔直径D=钢筋直径+10mm, 水平间距为3D.垂直间距为2D.
高层钢管混凝土结构梁柱节点设计方法初探 在高层的梁柱节点设计中，需要对钢管混凝土以及相关的构件有着严格的要求，尤其是在近年来，梁柱节点设计出现了许多新型节点模式，使得梁柱节点更加的简单、节约。因此，本文就高层钢管混凝土结构梁柱节点设计方法上展开分析与研究。 标签：高层；钢管混凝土；梁柱节点 随着社会经济的不断发展，我国现代化城市建设取得了明显的成果，在城市中不断有新的高层建筑出现，这一情况也促使着高层建筑在施工设计上的新要求，尤其是在高层的梁柱节点的设计上，会通过钢管混凝土的构造来保证建筑的抗震能力、承重能力等各方面性能。 1、高层梁柱节点的种类 1.1穿心钢管混凝土节点 相比于非穿心节点来说，穿心节点在施工的过程中需要更多的步骤，而因为有穿心结构可以将梁一端的力直接传到的中心的混凝土部分当中，这样的设计可以有效的提升整个节点结构的刚度以及抗震能力。而在穿心钢管混凝土节点中也分成半穿心型钢管混凝土节点以及全穿心型钢管混凝土节点，而这一分类的关键就在于内部的穿心结构是否穿过了混凝土结构。同时在钢管内部浇灌混凝土也会受到穿心结构的影响，而半穿心结构则受影响较小。在穿心结构中，通常可以是钢筋、锚定板、钢制承重销等材料[1]。而在这样的节点设计中，由于会使用大量的钢制材料，所以对于焊接的质量有着严格的标准，例如像钢制承重销这样的节点穿心构件，通常都是需要在加工工厂进行专门的加工，其成本也比较昂贵。在穿心节点中，一般按照穿心构造会分成牛腿穿心钢管混凝土节点、内加强环穿心节点、钢筋穿心节点、锚定板穿心节点、十字板穿心节点。 1.2非穿心梁柱节点 这种非穿心节点在结构上比穿心节点的施工更加的简便，其具体的结构也比较单一，通过焊接在钢管外侧的钢制强化环或者是牛腿结构将剪力以及弯矩传送出去。如果在梁柱节点上还有钢筋混凝土的环梁时，这一结构也会对承载剪力有一定的作用。而在这种节点结构中由于没有烦穿心结构所以在抗压方面造成的影响相对较小。因此非穿心梁柱节点更多的用于层数较多的钢管混凝土结构中，由于在钢管内没有其他的结构可以直接使用顶部浇筑法进行施工。在非穿心梁柱节点设计中，可以分成外加强环型梁柱节点、环梁节点、变宽度单梁式节点、双梁节点。 2、高层梁柱节点的设计原则
钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁连接 摘要：本文推荐一种钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁节点做法，使钢管在节点区的连接更加安全、可靠。混凝土梁可以很好的传递内力，与其他节点做法相比，具有施工方便、加快功效和节约材料的优点。 《关键词》钢管、钢筋、混凝土、施工 Abstract: this paper recommends a kind of concrete-filled steel tube column and reinforced concrete beam node approach makes steel pipe in the node connected more safe and reliable. Concrete beams can be very good transfer internal force, compared with other node practice, construction is convenient, speed up with efficiency and save materials advantages. 《Keywords》steel pipe、steel、concrete、construction 中图分类号：TU37文献标识码：A 文章编号： 一、概述 钢管混凝土结构是由混凝土填入钢管内而形成的一种新型组合结构，改变了各自本身的材料性质，共同成为一种新的复合材料，由于钢管混凝土结构能够更有效地发挥钢材和混凝土两种材料各自的优点，同时克服了钢管结构容易发生局部屈曲的缺点，使得混凝土强度和延伸性大大提高，形成了卓越的承载能力和变形能力。近年来，随着理论研究的深入和新施工工艺的产生，工程应用日益广泛。钢管混凝土结构按照截面形式的不同可以分为矩形钢管混凝土结构、圆钢管混凝土结构和多边形钢管混凝土结构等，其中矩形钢管混凝土结构和圆钢管混凝土结构应用较广。 1．钢管混凝土结构的特点 众所周知，混凝土的抗压强度高。但抗弯能力很弱，而钢材，特别是型钢的抗弯能力强，具有良好的弹塑性，但在受压时容易失稳而丧失轴向抗压能力。而钢管混凝土在结构上能够将二者的优点结合在一起，可使混凝土处于侧向受压状态，其抗压强度可成倍提高.同时由于混凝土的存在，提高了钢管的刚度，两者共同发挥作用，从而大大地提高了承载能力。钢管混凝土作为一种新兴的组合结构，主要以轴心受压和作用力偏心较小的受压构件为主，被广泛使用于框架结构中(如厂房和高层)。钢管混凝土结构的迅速发展是由于它具有良好的受力性能和施工性能，具体表现为以下几个方面： 1.1 承载力高、延性好，抗震性能优越 钢管混凝土柱中，钢管对其内部混凝土的约束作用使混凝土处于三向受压状
钢与混凝土组合结构应用技术 5.8.1 技术内容 型钢与混凝土组合结构主要包括钢管混凝土柱，十字型、H型、箱型、组合型钢混凝土柱，钢管混凝土叠合柱，小管径薄壁（<16mm）钢管混凝土柱，组合钢板剪力墙，型钢混凝土剪力墙，箱型、H型钢骨梁，型钢组合粱等。钢管混凝土可显著减小柱的截面尺寸，提高承载力；型钢混凝土柱承载能力高，刚度大且抗震性能好；钢管混凝土叠合柱具有承载力高，抗震性能好同时也有较好的耐火性能和防腐蚀性能；小管径薄壁（<16mm）钢管混凝土柱具有钢管混凝土柱的特点，同时还具有断面尺寸小、重量轻等特点；组合梁承载能力高且高跨比小。 钢管混凝土组合结构施工简便，梁柱节点采用内环板或外环板式，施工与普通钢结构一致，钢管内的混凝土可采用高抛免振捣混凝土，或顶升法施工钢管混凝土。关键技术是设计合理的梁柱节点与确保钢管内浇捣混凝土的密实性。 型钢混凝土组合结构除了钢结构优点外还具备混凝土结构的优点，同时结构具有良好的防火性能。关键技术是如何合理解决梁柱节点区钢筋的穿筋问题，以确保节点良好的受力性能与加快施工速度。 钢管混凝土叠合柱是钢管混凝土和型钢混凝土的组合形式，具备了钢管混凝土结构的优点，又具备了型钢混凝土
结构的优点。关键技术是如何合理选择叠合柱与钢筋混凝土梁连接节点，保证传力简单、施工方便。 小管径薄壁（<16mm）钢管混凝土柱具有钢管混凝土柱的优点，又具有断面小、自重轻等特点，适合于钢结构住宅的使用。关键技术是在处理梁柱节点时采用横隔板贯通构造，保证传力同时又方便施工。 组合钢板剪力墙、型钢混凝土剪力墙具有更好的抗震承载力和抗剪能力，提高了剪力墙的抗拉能力，可以较好地解决剪力墙墙肢在风与地震作用组合下出现受拉的问题。 钢混组合梁是在钢梁上部浇筑混凝土，形成混凝土受压、钢结构受拉的截面合理受力形式，充分发挥钢与混凝土各自的受力性能。组合梁施工时，钢梁可作为模板的支撑。组合梁设计时要确保钢梁与混凝土结合面的抗剪性能，又要充分考虑钢梁各工况下从施工到正常使用各阶段的受力性能。 5.8.2 技术指标 钢管混凝土构件的径厚比D/t宜为20~135、套箍系数θ宜为0.5~2.0、长径比不宜大于20；矩形钢管混凝土受压构件的混凝土工作承担系数αc应控制在0.1~0.7；型钢混凝土框架柱的受力型钢的含钢率宜为4%~10%。 组合结构执行《型钢混凝土组合结构技术规程》JGJ 138、《钢管混凝土结构技术规范》GB50936、《钢-混凝土组合
钢管混凝土柱-钢梁节点有限元分析 林明森 武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北武汉 (430070) E-mail：LMS1683@https://www.doczj.com/doc/0116330867.html, 摘要：对规范推荐的钢管混凝土柱-钢梁节点进行力学性能研究，在试验的背景下，利用 有限元分析软件ANSYS9.0建模，在同时考虑几何非线性和材料非线性下进行有限元分析， 对比试验与有限元分析结果，比较模型分析截面尺寸、梁柱线刚度比、轴压比等因素对节点 刚度的影响。对模型的适用性进行评价，并对此节点的适用性及构造提出改进意见。 关键词：钢管混凝土，梁柱节点，有限元分析，节点力学性能 中图分类号：TU398+.9 0. 引言 近年来，随着高层建筑的迅速发展，钢管混凝土结构在高层建筑中应用越来越广泛，钢 管混凝土结构组合形式即弥补钢材和混凝土各自的缺点，又充分发挥了二者的优点，钢管混 凝土结构以其承载力高、延性好、施工方便以及显著的经济效果，作为一种新型的钢管混凝 土组合结构已广泛运用于各种建筑物中。钢管混凝土梁柱节点的受力性能是结构设计中的关 键，也是施工的难点，在钢管混凝土结构的工程应用中其节点的受力性能、破坏机理及连接 构造方面还存在不少问题，影响到了它的广泛应用。由于节点的重要性，节点受到了越来越 多人进行研究，虽然，目前对节点的研究不少，但研究缺乏连贯性和系统性，更多的是研究 承载力性，而对节点区域的变形还未深入，有必要对钢管混凝土梁柱节点进一步研究。 1. 试件的设计与制作 节点原型为一高层框剪结构，层高３ｍ，梁跨度６ｍ。钢管柱为圆型钢管，内填核心混 凝土，钢梁为工字型钢。试件柱梁长度按近似反弯点位置取值，试件节点设置在柱中 [1]。 试件的几何参数见表１。 表1 几何特征参数 材料种类直径（m）高度（m）长度（m） 混凝土C50 0.149 1 钢管?159x5 0.159 1 钢梁HN175 0.175 2.159 2. 材料性质 2.1 核心混凝土 本文公式来自于文献[2] 约束系数ξ=A s f y/A c f ck A s:钢材和混凝土的截面面积 A c：核心混凝的截面面积 f y：钢材屈服极限 f ck：混凝土抗压强度标准值