空间钢构架混凝土框架边节点的有限元分析

摘要：采用ABAQUS有限元软件对空间钢构架混凝土边节点的受力性能进行了分析，分析表明：有限元分析的结果与试验结果吻合良好，说明本文建立的有限元分析模型可以较好地模拟空间钢构架混凝土边节点的受力性能。在此基础上对核心区应力发展趋势进行了非线性分析，为后续的试验研究提供参考。

关键字：空间钢构架；框架边节点；非线性；有限元分析

Abstract: By using the ABAQUS finite element software for spatial steel frame concrete edge joints were analyzed. And the analysis shows that: the finite element analysis results are in good agreement with the experimental results. It shows that finite element analysis model is established in this paper can be used to simulate the spatial steel frame concrete mechanics performance of concrete joints. On the basis of the core area of stress development trends in the nonlinear analysis, provides the reference for the experimental study on the follow-up.

Keywords: spatial steel frame; frame side joint; nonlinear; finite element analysis

中图分类号:TU398 文献标识码：A文章编号：

0引言

空间钢构架是由横向和斜向缀条与纵向弦杆焊接而成的承重型轻钢结构。纵向弦杆可采用（等边或不等边）角钢或普通钢筋，缀条可采用钢板、角钢、普通钢筋。纵向弦杆通过缀条连接形成一个整体，使其具有一定的刚度和承载力，代替普通混凝土结构中的绑扎钢筋笼，形成空间钢构架混凝土结构。

本课题组结合建设部科研项目（99-031-2），对空间钢构架混凝土结构构件的静力性能和抗震性能进行了系统的研究,进行了空间钢构架混凝土梁正截面、斜截面承载力以及刚度裂缝宽度的试验研究、空间钢构架混凝土深梁静力性能试验研究、空间钢构架混凝土柱静力性能试验研究、空间钢构架混凝土桩基承台等，进行了空间钢构架混凝土柱、空间钢构架混凝土异形柱、空间钢构架混凝土框架、空间钢构架混凝土短肢剪力墙和空间钢构架混凝土框架节点抗震性能试验研究。试验表明，空间钢构架可提高混凝土结构构件的初始刚度和承载能力，约束核心内混凝土，改善混凝土结构构件的延性和耗能性能。本文采用ABAQUS软件建立了空间钢构架混凝土边节点有限元非线性分析模型，并对文献[11]中的3个空间钢构架混凝土边节点和1个普通钢筋混凝土边节点的受力性能进行了分析，在此基础上对核心区应力发展趋势进行了非线性分析，为后续的试验研究提供参考。

1 有限元模型建立

建立三维模型试件中的混凝土采用的是Solid实体单元，角钢应用的是Shell壳体单元，钢筋则使用Wire线单元。先在二维界面绘制平面图形，之后直接拉伸即形成部件三维模型。

赋予截面材料属性在赋予截面材料属性之前首先要建立截面属性，即对每个截面输入相应的材料力学性能。本文中的钢材材性是根据试验数据所得采用随动强化模型，而混凝土本构则是采用混凝土塑性损伤模型[12]。

部件组装及定义相互作用在Module模块中选择Assembly装配功能按钮，对照试件配筋图进行部件组装。并把试件中的钢材做成Part直接嵌入到混凝土中，忽略钢材与混凝土的粘结滑移。

设置分析步本文共分三个分析步：Initial初始分析步、用于施加轴力N的step-1和用于施加梁端荷载的step-2。

定义边界条件与荷载根据真实试验情况，试件中柱的底面及顶面都是铰接，模型分析时柱两端截面也设置成铰接约束。模型中柱端轴力N是用压强p以面荷载的形式施加的，梁端力用位移控制进行加载。位移加载时是先设置一个点，使点与梁端受力部分截面耦合，把力直接加在耦合点上。

网格划分对装配件进行切割以方便网格的划分，网格划分前先在试件上布置边上种子，本文中混凝土种子尺寸是0.05，钢材的种子尺寸是0.03。

求解方法采用ABAQUS隐式分析Standard中的通用求解器（Static general）进行求解，求解技术采用牛顿-拉弗森法（Newton Raphson）迭代，并考虑几何非线性。

2 有限元分析

以文献[11]中的空间钢构架混凝土框架边节点试件为有限元分析模拟对象。梁截面尺寸150×350mm，长度1200mm；柱截面尺寸250×300mm，高度1800m；混凝土强度等级C25；钢板、角钢和圆钢的材料性能取文献[11]实测值。各试件的参数见图1和表1。

图1 试件尺寸（单位：mm）

表1试件主要参数

采用ABAQUS有限元软件建立框架边节点分析模型，对文献[11]中的4个边节点进行分析，试件各部件的网格划分见图2，试件分析结果列于表2和图3中。

由表2和图3可见：有限元模拟的荷载-位移曲线与试验的骨架曲线趋势基本相同，在峰值荷载时，荷载的平均比值为1.03，相应位移平均比值为0.98，误差在可以接受的范围之内。模拟中屈服荷载、峰值荷载和极限荷载比试验值大，初始刚度也比试验值大。误差可能是由于在试验中或多或少会有人为操作和机械本身的误差，且限元模型分析对边界条件及本构关系等的绝对理想化也将对结果产生一定的影响。通过上述计算结果与试验结果的比较，表明本文的有限元模型是基本合理的，能够模拟空间钢构架混凝土边节点的受力性能发展趋势。

（a） 混凝土（b）空间钢构架（c）钢筋骨架

图2试件各部件网格划分

表2荷载及位移模拟值与试验值的比较

注：表中屈服点、峰值点、极限点的荷载和位移指的是正反两方向加载的平均值；极限点是按相关规范规定的峰值荷载下降到85%的位置确定；比值指的是模拟值比上试验值。

aRCJD1-0试件bSRCJD1-1试件

cSRCJD1-2试件 dSRCJD1-3试件

图3 荷载-位移模拟值与试验值对比

3 核心区应力方向分析

图4给出了节点模型的应力符号图，由图4可见：钢筋骨架的应力延钢筋纵向方向，其核心区箍筋受力明显较大。空间钢构架的应力方向比较复杂，不再像钢筋骨架一样沿钢筋纵向方向受力，而是形成许多斜向的应力，整个空间钢构架均承担不同程度的应力，优化了结构的传力机理。

aRCJD1-0试件钢筋骨架b SRCJD1-2试件空间钢构架

cSRCJD1-2试件空间钢构架dSRCJD1-3试件空间钢构架

图4节点模型的应力符号图

4 核心区应力大小分布

图5给出了节点模型取点位置示意图，图6给出了模型上点的应力随时间变化发展图，由图6可见：（1）混凝土核心区不同位置应力相差不大，总的来说受力比较均匀，随着荷载的增大（时间的增加），核心区应力稍有增加，且两端的应力增加速率会大些；（2）取点位置的箍筋和缀条的应力相差较大，都是中间大，两端小；（3）钢筋骨架核心区的中间箍筋应力较大，而核心区两端及柱端的箍筋应力较小，故不能用一根箍筋屈服判断整个核心区屈服；（4）空间钢构架核心区缀条因与角钢焊成整体，改善了传力路径，后期应力大小比较均匀。

a 混凝土切面的取点位置 b 钢筋骨架上箍筋的取点位置

c 空间钢构架上缀条的取点位置d 空间钢构架上缀条的取点位置

图5节点模型取点位置示意图

（模型的取点位置按从右到左的顺序依次排序。列如：a中混凝土切面共取8个点，从右到左分别是1、2…）

a RCJD1-0混凝土切面上的点 bRCJD1-0钢筋骨架的点

c SRCJD1-1混凝土切面上的点 d SRCJD1-1钢构架的点

eSRCJD1-2混凝土切面上的点fSRCJD1-2钢构架的点

gSRCJD1-3混凝土切面上的点hSRCJD1-3钢构架的点

图6模型上点的应力随时间变化发展图

（图6中右侧数字的大小代表时间的先后顺序，故本图可以清晰的描述各点Mises应力随时间变化的发展趋势）

5结论

（1）利用ABAQUS软件建立的非线性有限元分析模型可以较好地模拟空间钢构架混凝土框架边节点的受力变形过程，有限元分析的结果与试验数据基本吻合。

（2）普通钢筋混凝土节点核心区的应力分布不均匀，核心区中间箍筋应力较大，两端的箍筋应力较小；空间钢构架的加入改善了核心区应力的传力路径，后期核心区应力分布比较均匀。

参考文献

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