钢梁―SRC柱节点受力性能分析

【摘 要】型钢混凝土结构作为一种新的结构体系，越来越广泛地应用到高层建筑中。节点是结构受力的关键部位，因此对节点的受力性能分析非常必要。本文建立了钢梁―SRC柱节点模型，利用非线性有限元方法在低周反复荷载作用下对节点进行计算和对比分析，从加劲板、混凝土强度、轴压比、柱型钢腹板厚度方面分析了节点的受力性能。

【关键词】节点；有限元分析、受力性能

1 引言

型钢混凝土（SRC）结构是把型钢（S）置入钢筋混凝土（RC）中，使型钢、钢筋（纵筋和箍筋）、混凝土三种材料元件协同工作以抵抗各种外部作用效应的一种结构[1]。型钢混凝土结构是钢―混凝土组合结构体系的一种，具有承载能力高、刚度大、抗震性能好等优点。随着型钢混凝土结构越来越多地应用于高层建筑中，工程研究人员将更加广泛和深入地对新型钢-混凝土组合结构受力性能进行研究。

框架梁柱节点是结构受力的关键部位，设计时应确保传力明确、安全可靠[2]。因此有必要研究并弄清楚节点的受力性能、破坏机理，使节点构造合理是非常重要的。对于SRC结构节点形式主要有：（1）SRC梁―SRC柱节点；（2）钢梁―SRC柱节点；（3）RC梁―SRC柱节点[3]。本文针对钢梁―SRC柱节点，利用有限元软件ANSYS进行建模和计算，从加劲板、混凝土强度、轴压比、柱型钢腹板厚度方面分析了节点的受力性能。

2 SRC节点构件的设计

在本文中，建立了一系列钢梁－SRC柱节点模型，节点核心区型钢采用柱贯通方式，钢梁与柱翼缘相连接，柱和梁均采用工字型钢，纵筋配4根 16钢筋，箍筋配 8@100。考虑了有加劲板、无加劲板、不同轴压比、不同混凝土强度、不同柱型钢腹板厚度等因素，在柱端施加低周反复荷载。

3 有限元计算结果及分析

3.1 加劲板对节点性能的影响

本文对有加劲板节点和无加劲板节点进行了比较，在柱端施加相同的轴力和水平位移荷载条件下，其水平方向的应力云图和主应变云图，分别如下图1、图2、图3及图4所示。

图1无加劲板节点应力云图

图2 有加劲板节点应力云图

图3无加劲板节点主应变云图

图4有加劲板节点主应变云图

从节点区的应力云图和应变云图可以看出，加劲板的存在使得节点区的最大拉应力范围，要比无加劲板的小，节点区的主应变也比无加劲板的小。加劲板使柱型钢翼缘在梁柱连接处不发生局部弯曲变形，能够把钢梁传来的拉力和压力直接传到节点核心区，同时也减少了节点区周围的应变。它与柱中的型钢翼缘构成封闭的翼缘框，对腹板与核心区混凝土进行约束，增强了型钢的刚度，提高了混凝土的抗剪能力。本文采用的是矩形加劲板，但是考虑到方便浇灌节点区的混凝土，加劲板也可以做成三角板等形式。

3.2 混凝土强度对节点性能的影响

通过计算发现，混凝土强度对节点的开裂荷载、极限荷载有影响，从而影响节点的初裂抗剪强度和极限抗剪强度。节点初裂抗剪强度、极限抗剪强度随混凝土强度等级的提高大致呈提高的趋势。这是因为混凝土强度越低，抗拉强度低，裂缝出现早，而发展快，核心区混凝土应力发展快。这从混凝土的开裂图，分别见图5、图6、图7及图8，可以看出不同混凝土强度等级对节点的开裂荷载的影响，强度等级高的混凝土裂缝及压碎数量要比强度等级低的少。

图5 C30混凝土开裂 图6 C40混凝土开裂

图7 C50混凝土开裂 图8 C60混凝土开裂

3.3 柱型钢腹板厚度对节点性能的影响

节点区的柱型钢腹板是型钢混凝土节点抗剪的主要元件之一，在达到极限承载力之前，型钢腹板不应发生局部屈服，这样型钢腹板的抗剪能力才能得到很好的发挥。由于混凝土的约束作用和腹板两侧加劲板的加强作用，保证了型钢腹板能够发挥其强度。在加载后期，型钢腹板承受了节点核心区大部分的剪力。表2体现了节点区不同型钢腹板厚度对节点抗剪性能的影响。

表2不同腹板厚度对节点抗剪性能的影响

腹板厚度（mm） 柱端施加的

水平力（kN） Mises屈服应力

（N/mm2） 型钢屈服强度

（N/mm2）

4 256.36 318.80 316

6 271.08 323.15 316

8 281.57 321.00 316

从表2可以看出，当其他条件相同时，型钢腹板的Mises屈服应力达到型钢材料的单向屈服强度，在柱端所施加的水平力随着型钢腹板厚度的增加而增大。这也说明了腹板厚度对节点的抗剪能力有很大的影响，节点的抗剪能力随着腹板厚度的增大而提高。

3.4 轴压比对节点性能的影响

型钢混凝土的轴压比为 ，（其中 、 分别为混凝土的单轴极限抗压强度、型钢的屈服强度； 、 分别为柱截面混凝土的面积、柱中型钢的面积）［4］。通过ANSYS对模型进行不同轴压比的计算表明：柱的轴力对型钢混凝土柱节点的抗裂性能和抗剪性能都有一定的影响，当柱轴力逐渐增大时，模型的开裂荷载随之变大，而且计算也比较容易收敛。轴压力的存在对节点核心混凝土增加了一个方向的约束，抑制了裂缝的出现与发展，使得节点的开裂荷载有所提高。但是轴压力影响型钢的抗剪能力，因此轴压比要限制。当轴压比很大时，对于弱节点有可能使节点的剪切破坏形态转化为受压破坏,对于强节点有可能从梁铰型破坏转化为混合型破坏，甚至转化为剪切型破坏。

轴压比对节点的滞回曲线也产生一定的影响，图9、图10、图11及图12为不同轴压比试件模型的滞回曲线。在几个轴压比不同的试件中，施加柱端位移为20mm时，在图9中，轴压比为零，柱端的反力为276.56kN；在图10中，轴压比为0.2，柱端的反力为271.08kN；在图11中，轴压比为0.4，柱端的反力为247.3kN；在图12中，轴压比为0.5，柱端的反力为232.79kN。由此可见当轴压力比较小时，对节点的承载力影响不大。但是随着轴压比的增大， 效应的影响就明显，滞回曲线也就下降得快，因此轴压比的增大导致了节点刚度的退化和延性变差。

图9轴压比为0的柱端滞回曲线

图10轴压比为0.2的柱端滞回曲线

图11轴压比为0.4的柱端滞回曲线

图12轴压比为0.5的柱端滞回曲线

4 结论

本文通过对钢梁―型钢混凝土柱节点在低周反复荷载作用下的非线性有限元分析，得到以下几个方面的结论：

4.1 对于钢梁―型钢混凝土柱节点，在柱型钢腹板两侧，钢梁上下翼缘水平处应设有足够强度的水平加劲板，以防止柱翼缘在与梁连接处不发生局部变形，同时保证钢梁传来的应力可靠地传递到节点区。

4.2 混凝土强度对节点的开裂荷载和极限荷载有影响，随着混凝土强度的提高而提高。

4.3 型钢腹板厚度对节点抗剪承载力的影响较大，节点抗剪承载力随着型钢腹板厚度的增大而增大。

4.4 节点的抗裂度和抗剪强度随轴压比的增大而增大，在对节点进行抗裂计算和抗剪计算时，可以考虑轴压比的影响。但轴压比过大 效应很明显，导致了节点刚度的退化和延性变差，必须限制轴压比。

参考文献：

[1]白国良,秦福华.型钢钢筋混凝土原理与设计[M].上海:上海科学技术出版社,2000.23－26.

[2] 钱冬江,蒋永生,梁书亭等.正交钢骨砼抗震性能试验研究[J].江苏建筑,2002,(1):10－12.

[3] 叶列平,方鄂华.钢骨混凝土构件的受力性能研究综述[J].土木工程学报,2000,33(5):1－11.

[4] 型钢混凝土组合结构技术规程JGJ 138-2001.中华人民共和国行业标准.北京：2002:29～31.