通过分析和实验改进新型钢管混凝土柱节点

摘要:分别采用基于国家规范解析方法的公式和基于有限单元法的ANSYS软件对节点进行分析，比较其分析结果；并与试验结果进行对比，分析节点的传力机理，了解节点的工作性能。结合钢管混凝土节点的不足之处和具体工程的实际需要，结合实际工程作出改进。

关键词: 钢管混凝土；柱-梁节点；实验研究；有限元分析

Abstract: based on the national standard respectively by means of analysis method of the formula and based on finite element method of ANSYS software analysis of nodes, compare the analysis results; And with the experimental results were compared, the force transmission mechanism of the node analysis, understand the performance of nodes. Combined with concrete filled steel tube node deficiency and concrete of the practical needs, and combining with actual engineering make improvement.

Keywords: steel tube concrete; Column-beam node; Experimental research; Finite element analysis

中图分类号：TU37文献标识码：A 文章编号：

1.钢管混凝土柱-梁节点

1.1加强环式节点

加强环式节点是《钢管混凝土结构设计与施工规程》（CECS159:2004）所推荐的节点形式之一，是至今为止研究最成熟、应用较多的一种节点，其传力路径简洁明确、节点刚度大、承载力高，其力学性能优越，且用于钢梁与钢管混凝土柱的连接接头中施工方便，是一种综合性能较好的节点。

1.2结合上述钢管混凝土节点的不足之处和具体工程的实际需要，结合实际工程提出了一种新型钢管混凝土不穿心节点。

图1-1 新型钢管混凝土不穿心节点

本节点结构包括钢管混凝土柱，钢牛腿、竖向与水平钢环板和楼盖梁．其特点是节点区钢管混凝土柱完整，不穿心，在节点区钢管外壁上焊接槽钢牛腿以与钢筋混凝土扁梁连接；槽钢牛腿上下翼板附近沿钢管壁周边设置水平钢环板及竖向钢环板，楼盖梁纵筋伸至钢管壁，箍筋与梁混凝土包裹钢牛腿;节点区设置与钢管混凝土柱同心的钢筋笼，并浇筑混凝土，以加强节点区的整体强度和刚度。

2有限元分析

2.1为了进一步了解该新型节点的传力机理和工作性能，分别采用基于现行国家规范解析方法的公式和基于有限单元法的ANSYS软件对节点进行分析，比较其分析结果；并与试验结果进行对比，以评介节点的工作性能。

采用ANSYS软件计算时，对原型节点采用如下计算模型进行分析：（1）节点钢结构模型；（2）将钢材、混凝土看成拉、压性能完全相同的完整节点模型；（3）全面考虑各种材料本构关系的完整节点模型。

节点钢结构模型主要考察节点钢结构在整个节点工作中担当的角色及其工作机理；将钢材、混凝土看成拉、压性能完全相同的完整节点模型（弹性结构）主要对比试验结果与理论分析结果；全面考虑各种材料本构关系的完整节点模型主要计算节点的开裂荷载和屈服荷载。其中，进行弹性结构荷载效应分析时，采用两种工况：

工况I： 高梁荷载700kN＋700kN＋480kN，矮梁荷载480kN

工况II：高梁荷载800kN＋800kN＋640kN，矮梁荷载640kN

考虑混凝土影响的节点模型中，为了模拟RC梁根部钢筋未与钢管壁焊接且不影响整体节点中混凝土与钢结构的粘结，有限元模型中将RC梁混凝土与钢结构完全粘结，仅将RC梁根部小部分混凝土用刚度极小的过渡单元模拟。

四牛腿节点（考虑混凝土及配筋影响）有限元模型采用对称处理，建立1/4模型。模型为整体式，将RC梁和RC水平环板中主筋弥散于混凝土结构中，忽略箍筋影响；将混凝土看成拉压性能相同的弹性单元。单元类型采用solid95，。图2-1为计算结果。

图2-1工况I四牛腿钢结构计算结果应力云图（第一主应力和位移）

表2-1矮牛腿梁加载位置（等效）位移值（mm）

从表2-1可得到关于加载点位移的如下结论：

（1）工况I时不考虑混凝土影响的钢结构加载点等效位移值的有限元理论分析结果与试验实测值相当接近，两者差值在10％以内，说明钢结构在节点牛腿梁的变形中承担了主要的角色。

（2）将混凝土、钢筋看成拉压性能相同的材料，在工况I时，四牛腿节点有限元理论分析结果与试验实测值极为接近，差值在5％以内。

表2-2节点各部位在荷载工况I作用下最大应力分析（MPa）

部 位 名 称 工况I 详细位置说明

四牛腿节点

3.有限元结果和试验结果对比与结论

综合基于规范公式和ANSYS软件的理论分析结果和试验结果，可得到下面结论：

（1）节点钢结构的抗剪不控制设计，与试验结果相符；将试验结果推算成原型梁根部弯矩值，以试验屈服荷载计算，均远高于设计值，为1.5~2.7倍。

（2）根据试验结果推算的原型高梁极限荷载与理论分析极限值基本接近；分析结果与试验实测值接近，差值为5％~10％。

（3）在屈服荷载作用下，用ANSYS分析不考虑混凝土影响的节点模型理论结果与试验结果较吻合，说明钢结构在节点牛腿梁的弹性变形中承担了主要的角色，亦说明ANSYS分析结果当结构在弹性范围内工作时是可靠的。

（4）基于ANSYS分析的节点典型部位应力分布特征与试验结果基本吻合，说明测试结果可靠，亦进一步说明用ANSYS分析节点的传力机理是可靠的。

4.对节点设计的改进建议

基于试验结果与理论分析结果，结合工程实际情况，对钢管混凝土柱－梁节点有如下改进建议。

1）由于在钢牛腿上翼缘、下翼缘及二者之间增加了加劲板，加强了钢牛腿与钢管的连接面，增强梁柱连接，牛腿刚度大大增加，其抗弯、抗剪能力提高，从而使结构可以根据空间要求将楼盖梁做成扁梁成为可能。

（2）由于水平环板和竖向环板二者的纵向截面均呈“L”形，形成“L”形钢环梁箍，节点区水平环尺寸不需太大，本节点水平环板设置不受限制，楼盖框架梁可灵活布置，适合于各向不等高的框架梁布置。

（3）本节点施工方便，施工时，钢牛腿与钢管柱可分开吊装，在工厂内在钢管柱上安装好水平环板与竖向环板后，再将其运至施工现场吊装，待施工到指定楼层时再人工安装上钢牛腿。

（4）实际工程运用时，进一步处理槽钢翼缘板、水平钢环板、竖向钢环板连接处角部构造，以免这些部位由于应力集中等因素过早屈服，影响节点的安全使用。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。