薄壁型钢-混凝土梁-柱节点承载力ANSYS分析

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摘要：利用有限元分析软件ANSYS对薄壁型钢-混凝土梁-柱组合结构节点的承载能力进行数值模拟。通过对节点的弯矩-转角曲线的分析，对可能影响节点承载能力的因素进行了参数化分析。结果表明：填充混凝土的强度，梁截面的尺寸对节点承载力有一定的提高，而钢板的屈服强度和柱截面的尺寸对节点承载力影响较小，当钢板厚度增加到6mm以上时对节点承载力有显著提高。

关键词：薄壁，组合结构，节点，有限元，ansys

中图分类号： TU111 文献标识码： A 文章编号：

ANSYS Analysis of Beam-column Joint of Thin-walled Steel-concrete Structure

LI Qiao1，WANG Chuanqi2

CR Land (Hefei) Ltd., Hefei 230088 An’hui, China;

Civil Engineering Department, The University of Memphis, Memphis 38152 Tennessee, U.S.

Abstract: Numerical analysis was performed on the bearing capacity of thin-walled steel-concrete beam-column joint by using ANSYS software. The possible effects that may influence the bearing capacity of the joint were studied by analyzing the moment-rotation curve of the joint. The results indicate that strength of concrete and dimensions of the beam have some influence on the bearing capacity of the composite joint; the yield strength of the steel and the dimensions of the column have little influence on the bearing capacity of the composite joint; the steel thickness effect is significantly improved when the thickness of the steel is greater than 6 mm.

Keywords: Thin-walled, composite structure, joint, finite element, ANSYS

引言

薄壁型钢-混凝土组合结构是由薄壁板材或薄壁构件和混凝土组成并共同工作的一种新型结构形式[1,2]。薄壁型钢-混凝上组合结构主要包括：冷弯薄壁钢管、冷弯薄壁型钢及其拼接而成的构件与混凝土组合而成的梁、柱和节点等结构。其中节点的性能对结构的性能有重要的影响[3,4]。然而目前国内外对薄壁型钢混凝土节点的研究还相对较少，本文利用ANASYS有限元分析软件对薄壁型钢混凝土梁柱节点的极限承载力以及影响因素进行了有限元分析，得到了一些对该种组合节点设计有益的结论。

有限元模型的建立

选用SHELL181单元模拟薄壁型钢，SOLID65单元模拟混凝土建立有限元分析模型，模型以及单元网格划分见图1。为获得较好的收敛效果，将混凝土与钢板划分成相同尺寸的单元，实体元与壳元节点一一对应，并粘结在一起共同变形。有文献[5]的节点试验结果表明，由于组合梁端均焊有钢板，其受拉钢板与混凝土的变形基本保持一致，因此该假定与实际情况相符。

a)钢板单元b）混凝土单元

图1钢板及混凝土单元划分

为了减少模型的单元数量，节省计算时间，模型中节点区外的钢管混凝土柱的高度在梁上、下各取600mm，这是考虑到离节点较远的钢管混凝土柱受节点的影响较小，也不是本文研究的重点。利用结构的对称性，建模时取薄壁型钢－混凝土梁-柱节点的1/2结构模型进行有限元分析，在节点的对称面y-z上的所有节点均加上ANSYS软件中自带的对称自由度约束：限制对称面内所有节点的两个方向的旋转自由度，同时限制了垂直于对称面的位移自由度，即x方向的平动自由度、绕y轴和z轴的旋转自由度。柱底端施加全约束。加载时，采用力加载，把力在梁端钢板单元和混凝土单元的节点上分散均匀施加，以避免产生应力集中而导致不收敛。

有限元模型验证

为了验证本文所建立的有限元模型的正确性，选择与本文所研究的节点结构形式相同的文献[5]中受正弯矩作用的薄壁型钢－混凝土梁-柱组合节点JD-3、JD-4、JD-5试验结果与本文非线性有限元模型的结果对比，见表1。

表1文献[5]试验值与本文数值模拟计算值的对比

本文有限元极限承载力计算结果与文献试验结果吻合较好，说明本文有限元模型基本假定可以采用，计算结果可靠。由于本文模型未考虑钢筋与混凝土、薄壁钢板与混凝土之间的粘结滑移，使得计算刚度比实际情况偏大，故本文极限承载力普遍比相应的试验值大。

常温下承载力

极限荷载计算

本文设计了14组构件，分别从截面尺寸、钢板厚度、混凝土强度和钢板强度等方面对影响薄壁型钢－混凝土梁-柱节点承载力的因素做了相应的分析。ANSYS模拟分析的结果见表2。

表2薄壁型钢-混凝土梁-柱节点极限承载力

影响因素分析

(1) 钢板厚度

保持其他参数不变，取不同的钢板厚度进行计算，对节点1、2、3、4进行比较，发现梁-柱组合节点极限承载力随钢板厚度的增大而增大，见图2。图中，采用3mm钢板、5mm钢板与6mm钢板时梁-柱组合节点的承载力差别不大，而采用8mm钢板时梁-柱组合节点的承载力有明显的提高。分析原因，一是由于单元网格划分的精度不够，单元划分的越小，虽然精度能提高一点，但却会耗费大量的计算迭代时间；另一个原因是因为6mm的钢板是薄壁型钢板和普通钢板的一个分界，在钢结构的分析中，薄壁钢板与普通钢板的计算理论是有很大差别的。

图2 钢板厚度对薄壁型钢-混凝土梁-柱节点承载力的影响

(2) 钢板强度

保持其他参数不变，取不同的钢板强度进行计算，对节点1、7、8进行比较，发现梁-柱组合节点极限承载力随钢板强度的增大而增大，见图3。从图中可以发现，钢板强度的增加对梁-柱组合节点极限承载力的影响不是很大，原因在于薄壁型钢-混凝土梁-柱节点所采用的钢板的厚度很小，极易发生局部失稳，也就是局部屈曲。钢结构发生失稳时，钢材并没有达到其极限屈服强度，在很多时候，只能达到极限屈服强度的一半甚至更小。因此，钢板强度对梁-柱组合节点的承载力影响不大。