节点区柱钢管不连通式钢管混凝土柱－梁节点的

　　Abstract：To discuss the compressive behavior of the Concrete Filled Steel Tubular (CFST) column-beam joint with the column tube discontinuous in joint zone, three axial compressive experiments are carried out. The results of experiments show that the joint has higher carrying capacity and reliable performance. ANSYS(a software for FEA)is used to carry out the nonlinear finite element analysis on the working mechanism of the joint. The crack form and mechanical properties of the joint is studied. The calculation results show good agreement between the experimental and analytical results.

　　Keywords：Concrete Filled Steel Tubular (CFST); joint; discontinuous tube; nonlinear finite element analysis; nonlinear;

　　摘 要：本文通过对3个节点区柱钢管不连通式钢管混凝土柱-梁节点进行的轴心受压试验，研究节点的受力性能。结果表明，节点具有较高的承载力和较好的受力性能。利用非线性有限元分析程序ANSYS，对该种节点的受力机理进行三维非线性有限元分析，进一步研究该节点的裂缝形态和受力性能等。分析结果表明，有限元模型计算结果与已有试验结果吻合较好。

　　关键词：钢管混凝土柱;节点;不连通钢管;有限元分析;非线性

　　中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：

　　一 前言

　　节点是钢管混凝土节点是钢管混凝土中的重要组成部分，但在节点的受力性能、破坏机理及连接构造等方面还有许多尚待研究和尚未解决的问题[1]。传统的钢管混凝土柱-梁节点的思路均为钢管混凝土柱沿全高保持连续，楼盖梁板从钢管柱侧面与其连接，主要依靠牛腿、抗剪环筋等实现剪力的传递，弯矩的传递则主要依靠加强环板、混凝土环梁或连续钢筋来实现。这就造成了节点的设计与施工上的复杂与困难。为了在一定程度上克服现有节点的缺陷，作者根据约束混凝土的基本原理提出了一种新型钢管混凝土柱-梁节点型式——节点区柱钢管不连通式钢管混凝土柱-梁节点。

　　该节点其主要特点是：柱钢管在节点区不连通，保持楼层框架梁纵筋贯通节点，柱钢管由于在节点区不连续而导致其轴向承载力的下降，通过采用环梁加大节点区截面并配置环形钢筋来加强。由于柱钢管不直通，梁纵筋或型钢可连续地通过节点区，节点区的连接构造形式简单。采用这种形式的钢管混凝土柱-梁节点的施工方便，和现有的普通钢筋混凝土柱-梁节点的施工方法类同，避免了现有各种节点在节点区施工困难的弊端。对于该种新型节点，已有部分研究者通过试验论证了其可行性，并初步探讨了其受力机理和力学性能[2]-[3]，但还没有形成一套较为完整的理论。为了完善该种新型钢管混凝土柱-梁节点的设计理论，本文通过3个新型钢管混凝土柱-梁节点试件的轴心受压试验和其中一个试件的非线性有限元分析，研究了该种节点的受力性能。

　　二 试件设计

　　本次试验节点钢管在节点区并未完全断开，只是在两个正交方向各开有两个与梁截面尺寸相同的孔。钢管采用Q235钢材，钢管厚度5.5mm。环梁部位配置有由环筋与箍筋组成的钢筋笼，试件参数变化如表1所示。为降低节点的承载力，得到节点的破坏型式及破坏荷载，本次试验节点区混凝土等级为C30，钢管柱混凝土等级为C40。

　　三 试验结果分析

　　3.1 试件的主要破坏特征及破坏形态

　　试件在加载至30%～40%极限荷载时，在试件侧面出现竖向裂缝，随着荷载进一步增加，试件上表面开始出现径向裂缝，裂缝一直从柱边开始沿环梁上表面发展至环梁侧面。在荷载达到60%～70%极限荷载时，在环梁侧面约h/2处出现环向裂缝。在达到试件的极限荷载时，环向裂缝已经基本贯通，上表面径向裂缝与侧面竖向裂缝将节点分成较多小块，部分试件节点区混凝土有脱落现象。靠近环梁上下表面处的钢管出现鼓屈现象。

　　3.2 荷载-位移曲线

　　试件的荷载-位移曲线如图1所示。试件开始加载后，处于弹性阶段，荷载-位移曲线基本上呈直线。随着荷载的增大，轴向变形发展加快，荷载-位移曲线开始呈现非线性关系。随着荷载的进一步增大，钢管与试件内的钢筋达到屈服，试件的轴向变形继续增加。总体来说，在试件达到极限荷载前，试件的整体轴向变形变化比较缓慢，在达到极限荷载，荷载-位移曲线开始进入下降段后，试件的整体轴向变形迅速增加，荷载-位移曲线趋于平缓。从荷载-位移曲线可以看出，在试件达到极限荷载后，并没有发生突然的脆性破坏，而是在保持极限承载力一段时间不变的前提下，变形有进一步发展，然后开始出现荷载下降，而位移迅速增大的情况，试件具有较好的延性。

　　3.3 环筋应变分析

　　3.3.1 同层环筋应变对比

　　试件同层内外圈环筋的荷载-应变曲线如图2所示。从图中可以看出，环梁同层环筋的应变在横向上由内圈向外圈衰减。

　　3.3.2 环筋沿竖向应变对比

　　试件环筋沿竖向的荷载-应变曲线如图3所示。从图中可以看出，环梁环筋应变沿竖向在节点中央区最大，从中央向上下两端衰减。

　　四 有限元分析

　　本文选择通用有限元分析软件ANSYS，对C试件进行非线性有限元分析。重点对试件的荷载-位移曲线和节点环筋的受力性能进行分析对比。

　　4.1 单元类型的选择及模型的建立

　　在本次有限元分析中，钢筋混凝土部分采用分离式模型，将混凝土和钢筋作为不同的单元来处理，然后将二者进行组合[4]。其中混凝土采用三维实体单元Solid65单元。钢筋选用三维杆单元Link8单元。钢管选用Solid45单元。混凝土材料选用的是多线性等向强化模型(MISO)遵循Von Mises屈服准则。钢筋和钢管材料选用双线性随动强化模型(BKIN)，其屈服准则为Von Mises屈服准则。同时，假定钢管壁与混凝土完全粘结，并且忽略钢管壁的局部屈曲。另外在试验中发现钢筋与混凝土之间滑移较少，因此有限元模型中忽略钢筋与混凝土之间的滑移。利用对称性原理，取轴心受压试件的1/4进行建模。

　　4.2 有限元分析结果

　　4.2.1 裂缝开展情况

　　根据非线性有限元分析过程，可以大致将试件的裂缝开展过程分为3个阶段。第一阶段为裂缝出现阶段。在1660kN时，环梁上表面出现径向裂缝，从柱边发展至环梁边缘，沿环梁侧面形成竖向裂缝，此时裂缝较少。第二阶段为环向裂缝出现阶段。当荷载增加到2910kN时，开始在环梁侧表面上出现环向裂缝，同时有较多条新的径向裂缝及竖向裂缝出现，第三阶段为达到极限荷载时。此时环梁上表面径向裂缝呈放射状分布整个截面，将环梁上表面分割成较多小块。另外，在环梁的侧面，竖向裂缝发展也基本布满整个表面，沿竖向将环梁侧面分成较多小块。

　　通过读取不同荷载步下的裂缝发展情况来看，尽管裂缝出现的时间比试验观察到裂缝的时间早，而且有限元模型的裂缝是通过积分点来表示的，无法像试验一样观察裂缝宽度等情况，另外在试验过程中，多种复杂因素的干扰，裂缝的开展特征不像有限元分析结果那样理想化，但是裂缝开展的顺序，裂缝发展的趋势以及裂缝最后的分布情况，有限元分析所得出的结果与试验所观察到的结果基本是一致的，具有一定的代表性。

　　4.2.2 荷载-位移曲线

　　将C试件有限元分析所得到的荷载-位移曲线与试验曲线对比，如图4所示。从图中可以看出，试验曲线与有限元曲线吻合较好，但从图中也反映出程序计算的轴压刚度与混凝土的实际刚度稍有差异。这主要是由于采用的混凝土的本构关系与混凝土的实际应力-应变关系稍有偏差所导致的。另外还有一些试验误差，包括：试件施工误差，试件安装误差以及加载和数据采集的误差，对试验结果有一定影响，这也是导致二者刚度稍有偏差的原因。

　　4.2.3 钢筋应力状态分析

　　在建模时采用的分离式建模的方式，可以方便的考察节点区环筋的应力情况。当加载到极限荷载时，钢筋的应力情况如图5所示。从图中可见：1)环梁中同层环筋的应力在横向上由内圈向外圈衰减，这可以从各层环筋的应力分布看出;2)对比各层环筋的峰值应力，可以看出环筋的应力在竖向上由中央向两端逐渐衰减。这些钢筋应力的变化规律与试验所得到的变化规律基本相符。

　　五 结语

　　本文中通过节点区柱钢管不连通式钢管混凝土柱-梁节点的轴压试验结果的分析，并且将试验结果与有限元分析结果进行了对比得出了以下主要结论：

　　1.节点区内柱钢管不连通，而通过环梁和环向钢筋形成约束混凝土的新型钢管混凝土柱-梁节点的方案是可行的，节点具有较高的承载力和较好的延性。

　　2.节点内环筋的应变在混凝土开裂引起环筋应变发生突变前，有从内圈向外圈，从中央向上下两端衰减的趋势。

　　3.本文针对节点区柱钢管不连通式钢管混凝土柱-梁节点，建立三维非线性有限元分析模型。分析了试件的裂缝开展情况、荷载-位移曲线及节点区环筋的应力状态，并与试验结果进行了对比。分析结果表明，有限元结果与试验结果吻合较好，验证了模型的可行性和合理性，也进一步明确该种节点区柱钢管不连通式钢管混凝土柱-梁节点的力学性能和工作机理，为实际工程提供参考。

　　参考文献

　　[1] 蔡健，黄泰赟，卢树辉. 钢管混凝土柱节点的研究和应用现状综述. 工程力学(增刊). 2000年，pp.169～174

　　[2] 林瑶明. 新型钢管混凝土柱节点轴压性能的基础研究[D]. 华南理工大学. 2001年5月

　　[3] 梁剑. 新型钢管混凝土柱-梁节点轴压性能基础研究-RC楼层间钢管非连通节点[D]. 华南理工大学. 2003年5月

　　[4] 江见鲸，陆新征，叶列平. 混凝土结构有限元分析[M]. 第一版.清华大学出版社，北京，2005

期刊VIP网，您身边的高端学术顾问

文章名称： 节点区柱钢管不连通式钢管混凝土柱－梁节点的

文章地址： http://www.qikanvip.com/jianzhusheji/5355.html