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型钢混凝土结构节点的有限元分析研究【摘要】利用有限元软件对型钢混凝土节点进行了数值模拟，用有限元分析的方法计算了该节点在特定恒活载组合作用下型钢、纵筋、箍筋以及混凝土的受力特性，为型钢混凝土节点的设计提供参考和依据。
关键词：型钢混凝土结构节点；受力特性；有限元1前言近年来随着社会经济的不断发展，人民审美水平的不断提高，越来越多的复杂建筑结构的出现，而结构受力的情况也随之越来越复杂。
众所周之，节点是结构受力的关键部位，但往往现行设计规范又没有复杂节点受力的验算方法，因此采用有限元软件对复杂节点进行分析十分必要。
为了保证结构不会在各种特定荷载情况下在节点率先出现破坏，复杂节点处的受力特性分析也就显得越来越重要，也是对传统计算方法的一个很好的补充。
结构有限元分析能够比较准确的模拟复杂节点的真实情况，它在计算模型中直接引入混凝土、钢以及钢筋等材料的本构关系，考虑或模拟混凝土和钢材界面的力学行为，同时能够提供大量的结构反应信息，如应力、应变、反力、位移、能量等，因此对结构设计具有重要意义。
同时，复杂型钢混凝土节点是近年来随着大跨度大悬挑结构体系发展而逐步发展起来的结构节点形式，具有受力明确、直接、承载力大，具有良好的适应性，因其优越的性能。
本文以工程背景为研究基础，介绍了大型通用有限元软件ABAQUS［1］在型钢混凝土结构节点分析中的应用，用数值分析的方法对型钢、混凝土和钢筋三者共同作用下受力特点和型钢以及混凝土之间的相互作用等因素进行了分析，从而明了型钢混凝土结构节点受力特性，为设计和研究提供一定的参考。
2工程概况工程为混凝土框架剪力墙结构，其上部结构外挑的长度较大，因此在结构设计的应对措施为结构悬挑部分采用钢结构［2］，尽量减小该部分结构的自重，而与其相连的非悬挑结构采用型钢混凝土结构［3］，增强结构的整体性能，其典型节点及构造如图1所示：3分析方法和计算模型通过使用ABAQUS软件模拟整个型钢混凝土节点，并对其进行结构分析。
钢筋混凝土框架加固节点有限元分析钢筋混凝土框架加固节点有限元分析一、引言钢筋混凝土结构在建筑工程中广泛应用，但随着建筑年限的增长，许多结构出现了安全隐患，需要进行加固处理。
节点是结构中最容易受力集中和破坏的部位，对节点进行加固设计是有效提高结构整体性能和耐久性的关键。
本文将运用有限元分析方法针对钢筋混凝土框架节点进行加固设计，以提高其承载力和抗震性能。
二、研究目标本研究旨在通过有限元分析方法，对钢筋混凝土框架加固节点进行静力和动力响应分析，以评估加固节点的力学性能，并提出加固措施。
研究内容包括以下几个方面：1. 建立钢筋混凝土框架节点模型：根据实际工程情况，确定节点内钢筋布置方式、混凝土强度等参数，并采用有限元软件建立节点模型。
2. 加载条件设定：根据设计要求及工程实际情况，考虑静力和动力荷载作用，设定节点的加载条件。
3. 有限元分析：利用有限元软件对加固前后节点进行静力和动力分析，得到节点的位移、应力、应变等参数。
4. 分析结果与讨论：通过对比加固前后节点的力学性能参数，评估加固效果，并针对不足之处提出改进措施。
5. 加固节点设计：根据有限元分析结果，设计出合适的加固方案，提高节点的承载力和抗震性能。
三、节点模型建立1. 材料参数确定：根据实际工程需求，确定节点中钢筋的类型、直径、数量和强度等参数，以及节点中混凝土的强度等参数。
2. 节点布置方式确定：根据实际工程需求，确定节点内钢筋的布置方式，包括纵向钢筋和箍筋的布置数量和间距。
3. 有限元模型建立：利用有限元软件建立节点的三维模型，并对节点进行网格划分，保证有限元网格的合理性和准确性。
四、加载条件设定1. 静力加载条件设定：根据实际工程情况，设定节点的静力加载条件，包括垂直荷载和水平荷载。
2. 动力加载条件设定：考虑节点在地震荷载作用下的动力响应，设定相应的加载条件。
五、有限元分析1. 边界条件设定：根据实际工程情况，设定节点的边界条件，包括节点与其他结构部件之间的连接方式。
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。
钢管混凝土与钢梁斜交节点的有限元分析聂建国赵楠（清华大学土木工程系北京100084）[提要] 加强环式节点是钢管混凝土柱－钢梁体系的常见连接形式，认识此类节点的受力性能对结构设计至关重要。
为满足建筑结构功能的需要，钢管混凝土柱与钢梁的节点变得越来越复杂，出现了钢管混凝土柱与钢梁的斜交节点。
到目前为止尚未见到对此类节点的研究报道。
本文以6个多向斜交节点的试验为基础，应用有限元程序进行了数值模拟，考虑了钢管内混凝土填充高度以及钢管夹角对节点性能的影响，提出相关的设计建议。
[关键词] 组合结构斜交节点有限元[Abstract] In Concrete Filled Steel Tube Column with Steel Beam system, strengthening plate ring is widely used for joint connection, so it is important for engineers to get some knowledge about this kind of joint. To meet the requirement of the buildings, the forms of joints have become more and more complicated, and joints with non-perpendicular elements has been used in construction but research literature is not available. Based on six tests of this kind joints under the static load, finite element analysis software is used to do numerical analysis for modeling the tests. The effect of the filled concrete height inside and angle between the connected tubes are taken into account on the basis of numerical analyses, and some useful suggestions are presented for design.[Keywords] composite structure; concrete filled joint with non-perpendicular elements; finite element analyses1.引言在工程实践中，钢管混凝土柱与钢梁体系应用越来越多，通过外部加强环构造措施将钢管与钢梁连接，形成刚性节点[1]。
影响节点受力性能的因素主要有内填混凝土高度、钢管夹角、初始缺陷等[2]。
在国内外已有的试验及理论研究中，主要针对钢管混凝土柱与钢梁正交的形式，而对斜交式加强环节点的受力性能还缺乏探讨。
理论分析表明，应用有限元计算软件可以比较好的模拟实际试验，从而进行大量的数值分析[3,4]。
本文结合某实际工程，对斜交节点进行了试验研究，并应用有限元软件进行数值计算，在证明有限元模型正确的基础上，对内填混凝土高度以及钢管夹角对节点性能的影响进行数值分析，得到一些有益的结论。
2.试验模型及参数结合实际工程节点设计了3种类型的试件，模型比例为1:4，编号分别为节点-1，节点f分别为340、308、241、注：表中厚度为3、3.5、4、5和8mm的钢板的屈服强度yf分别为457、428、366、369和447MPa。
256和271MPa；极限强度u试验主要结果如表2所示。
表2 试验极限荷载与转角表中1ut P 为构件破坏时的竖向柱荷载，2ut P 为构件破坏时的斜向柱荷载，3ut P 为斜向钢梁最大荷载，4ut P 为构件破坏时的水平钢梁轴力，u θ为构件破坏时的转角。
3. 有限元分析基于大型通用有限元软件ANSYS 提出了一种切实可行的有限元建模方法，所有几何尺寸均按照实际试验的几何尺寸，材料属性按照材性试验结果赋予相应指标。
试验中对钢梁施加集中荷载，而在计算模型中将集中荷载等效为均布荷载，使均布荷载在加强环与钢梁连接处产生的弯矩与剪力与集中荷载产生的弯矩和剪力相等。
模型不考虑焊缝的影响，所有连接处均按照材料特性进行等强连接。
在工作状态下，混凝土与钢管壁之间存在摩擦，混凝土与钢管之间会产生一定的滑移，但滑移量很小，可以忽略不计。
计算模型未进行混凝土与钢管之间的接触分析，将混凝土单元节点与钢管壁单元节点完全耦合在一起，即混凝土表面与钢管表面完全重合。
计算中钢材用SHELL181单元，弹性模量取52.010E MPa =⨯，泊松比取0.3ν=。
混凝土用SOLID65单元，泊松比取0.17ν=，单轴抗压强度取0.8c cu f f =，混凝土单轴应力－应变关系采用规范建议曲线[5]。
计算结果与实测结果的对比如表3所示。
表3 计算结果与试验结果对比从表3可以看出，数值计算结果与实测结果之间的误差基本在10%以内，说明模型是有效合理的，而且计算假设条件符合实际情况，证明钢管内混凝土的滑移量很小，对节点的影响可以忽略不计。
在保证焊接质量的前提下，节点可以充分发挥其受力性能。
有限元计算模型不能模拟斜向空钢管根部的局部屈曲，计算截面刚度小于实测刚度。
从以上分析可以看出，利用有限元计算能与试验结果比较吻合，为参数分析提供了行之有效的方法。
4. 参数分析为了给实际设计提供更合理的设计依据，运用计算程序改变混凝土填充高度和钢管夹角进行数值计算分析。
（1）混凝土填充高度参数分析按竖向钢管填充一半混凝土、无填充混凝土考虑。
第一组试件实测结果定义为工况一，竖向钢管填充一半混凝土定义为工况二，竖向钢管无填充混凝土定义为工况三，空钢管试验结果定义为工况四。
计算结果如图2～7所示。
最大竖向承载力和最大转角列于表4和表5。
图2 节点-1测点P2轴向应变 图3 节点-1荷载－转角曲线图4 节点-2测点P2轴向应变 图5 节点-2荷载－转角曲线图6 节点-3测点P2轴向应变 图7 节点-3荷载－转角曲线表4 节点各工况承载力与转角竖向荷载 (K N )竖向荷载 (K N )竖向荷载 (K N )竖向荷载 (K N )竖向荷载 (K N )竖向荷载 (K N )表5 节点各工况承载力与转角比值表中1u P 、2u P 、3u P 、4u P 分别为工况一、工况二、工况三、工况四最大竖向荷载；1u θ、2u θ、3u θ、4u θ分为工况一、工况二、工况三、工况四最大转角。
从以上分析可以看出，混凝土填充高度对节点的性能有显著的影响。
随着混凝土填充高度的降低，节点截面刚度降低，在相同荷载作用下，节点转角增大。
而且随着混凝土填充高度的降低，节点轴向应变和环向应变的发展也逐渐增大，过早进入屈服阶段。
两组试件的加载比例有所不同，而计算加载比例同第一组试验，从表2可以看出，节点-1和节点-1a 的加载比例差别较大，节点-1核心区测点P2承担的荷载大于节点-1a ，因此在相同荷载水平下，节点-1的轴向应变大于节点-1a 。
节点-2a 、节点-3a 轴向荷载比例与节点-2、节点-3相近，因此工况三与工况四的应变相近。
从计算曲线可以看出，应变进入塑性阶段后，计算结果与实测结果的差别逐渐加大。
随着混凝土填充高度的降低，截面进入非线性阶段后应变的发展能力下降。
内填混凝土对构件的破坏形态有显著的影响，从试验现象可以看出，节点区域填充混凝土时，构件的破坏形态为整体转角过大，而无填充混凝土时，破坏形态为柱身出现塑性铰，局部破坏，而工况二混凝土的交界面处于核心区，破坏形态处于整体弯曲破坏和局部破坏之间，节点-1和节点-2工况二下的测点P2应变处于工况一和工况三之间，而节点-3工况二下的测点P2应变与工况三较接近，说明斜向钢管内混凝土对节点的整体性能也有显著影响，可以有效进行内力重分布。
工况三的应变基本处于弹性阶段，其耗能特性和延性均不如工况一和工况二。
从荷载－转角曲线可以看出，在初始弹性阶段（转角小于0.002rad ）时，节点-1和节点-2各工况截面刚度接近，而节点-3工况二和工况三的截面刚度较接近，而与工况一差别较大。
试验当中，节点-1和节点-2斜向空钢管根部都出现局部屈曲，说明混凝土对防止钢管局部破坏有显著效果。
从图2～7可以看出，随着混凝土填充高度的下降，节点核心区的屈服荷载在逐渐下降，而屈服荷载与极限荷载的比值在逐渐增大。
由此可见，混凝土填充高度的增大可以显著提高节点的承载力，而且可以增大节点的延性，能更多的吸收能量，破坏形态也由局部屈曲控制变为整体转动控制。
（2）两向钢管夹角参数分析钢管夹角分为60度和30度考虑。
有限元数值模拟为工况一，定义钢管夹角为60度时为工况二，定义夹角为30度时为工况三。
图8 节点-1测点P2轴向应变 图9 节点-1荷载－转角曲线图10 节点-2测点P2轴向应变 图11 节点-2荷载－转角曲线图12 节点-3测点P2轴向应变 图13 节点-3荷载－转角曲线最大竖向承载力和最大转角列于表6和表7。
表6 节点各工况承载力与转角竖向荷载 (K N )竖向荷载 (K N )竖向荷载 (K N )竖向荷载 (K N )竖向荷载 (K N )竖向荷载 (K N )表7 节点各工况承载力与转角比值表中u P 为实测最大竖向荷载，u θ为实测最大转角，1u P 、2u P 、3u P 分别为工况一、工况二、工况三最大竖向荷载；1u θ、2u θ、3u θ分为工况一、工况二、工况三最大转角。
从以上分析可以看出，两向钢管夹角对节点的性能也有影响，但相对混凝土填充高度而言影响较小。
随着两向钢管夹角的增大，在相同荷载作用下，节点转角逐渐增大。
而且随着角度的增大，节点核心区的轴向应变和环向应变也逐渐增大。
但总体而言，各工况的差别不是很显著。
由于只对夹角参数进行调整，内力可以有效地在核心区内重新分布，因此节点的整体性能是可以充分发挥的。
从分析可以看出，在进入塑性阶段后，各工况的差别逐渐增大，而各工况下核心区屈服荷载很接近。
随着夹角的增大，极限承载力逐渐降低，极限转角也逐渐减小，延性也随之下降。
四、结论运用有限元程序能有效的模拟实际试验，在弹性阶段结果吻合很好。
钢管混凝土斜交节点区内混凝土可以充分发挥节点的整体性能，随着混凝土填充高度的减少，受力性能显著改变，节点刚度逐渐减小，在相同荷载下的转角增大，应变发展加快，屈服荷载降低。
建议在设计中应保证节点区内混凝土连续，避免节点区内刚度突变。
