组合梁柱节点有限元分析研究

关键词：型钢混凝土 有限元 非线性

　　1 前言

　　钢与混凝土组合结构是在钢结构和混凝土结构的基础上发展起来的一种组合结构，充分发挥了混凝土良好受压性能和钢材良好的受拉性能，使它们发挥各自的材料特性。型钢混凝土结构利用了混凝土良好的耐腐蚀和防火性能、钢材的抗拉性能和混凝土的抗压性能，同时，外部混凝土的存在可以防止型钢的屈曲，型钢对混凝土的约束作用也会使混凝土的承载力提高。因而一般具有承载力高，延性好，综合经济指标较高等优点[1]。近年来，钢与混凝土组合结构得到了较为广泛的应用，并不断发展。因此，对新型的钢一混凝土组合结构的研究及工程应用将是工程结构发展的一个主要方向。

　　2 有限元分析

　　计算机模拟分析是试验分析的补充，首先可以排除试验中各种随机因素的干扰，不仅可以给试验参数的选取、结果的分析等提供方便；并且计算机模拟可不受时间、场地等因素的限制，对各种不同参数的结构模型进行分析，因为减少了大量的现场试验工作而大大节省了科研费用。计算机模拟可以在一定程度上弥补试验方法和试验成果的不足，如通过计算机模拟可以了解试验中不易观察到的局部变形、内力传递机制等。同时有限元模拟结果可以为理论分析提供一些依据，验证理论分析的正确性。

　　国内外学者采用有限元方法对钢与混凝土组合结构构件及节点的力学性能进行了大量的研究，但是关于如何建立精确的钢与混凝土组合结构构件及节点有限元模型的研究较少。因此，开展钢与混凝土组合结构的有限元分析方法的研究，对于确定钢与混凝土组合结构的力学性能，促进钢与混凝土组合结构的技术进步和应用推广，具有一定的理论意义和实用价值。

　　在进行有限元建模前，需做以下假定：

　　（1）混凝上开裂前为各向同性材料，开裂后为各向异性，并释放单元应力；

　　（2）钢筋和混凝上变形协调，不考虑钢筋和混凝土之间的滑移；

　　（3）不考虑钢与混凝土之间的翘曲；

　　（4）考虑材料非线性，不考虑几何非线性行为。

　　3 材料的本构关系

　　本构关系是指描述材料力学性质的数学表达。结构材料的本构关系对有限元分析有重大的影响。钢-混凝土组合梁柱节点中的钢材和混凝上两种材料在低周反复荷载作用下处于复杂的应力状态。因此，为了较好的模拟节点的性能，首先应确定钢材和混凝土的本构模型。

　　由于混凝上材料的复杂性，其本构关系也因为受力状态的不同而不同。在反复荷载作用下，混凝土应力-应变滞回性能的骨架曲线基本上接近单调加载时的应力-应变曲线。本文的有限元计算中，混凝土的单轴应力-应变关系，按照混凝土结构设计规范（GB50010-2002）中附录C中的公式采用，混凝土不考虑下降段应力应变曲线。

　　混凝土棱柱体抗压强度取值23 MPa，弹性模量为3.0?104。混凝土单轴受压应力-应变曲线如图1，钢筋与型钢的应力应变曲线见图2所示，对纵向钢筋、箍筋采用Wire建立模型，型钢采用3DShell建立模型。

　　4 混凝土的破坏准则

　　混凝土在复杂应力状态下的破坏比较复杂，但不论何种破坏，均是以混凝土达到极限承载力为标志[5]。将混凝土的破坏包络曲面用数学函数加以描述，作为判定混凝土破坏的条件，称为破坏准则。混凝土的破坏准则一般用混凝土的应力状态的函数来表示。

　　随着混凝土多轴试验数据的积累，国内外研究人员提出了多种混凝土破坏准则， Willam&Warnke准则采用二次抛物线表达拉、压子午线，对偏平面上每个 范围内的曲线用椭圆曲线表示，共由六段相同的椭圆弧曲线拟合偏平包络线，相邻曲线段在连接处连续并将拉、压子午线用偏平面曲线为基准面的椭球面连接起来。

　　5 模型分析

　　对一工业结构中的组合梁柱节点进行有限元分析，柱截面尺寸为600mm×600mm，梁截面尺寸为1000mm×450mm。按构件实际尺寸建立钢-混凝土组合梁柱节点的几何模型，进行网格划分，从而形成有限元模型。本文中钢筋混凝土结构采用分离式建模，钢筋与混凝土、钢板与混凝土之间的粘结力以及栓钉抗剪作用采用Combine39单元模拟。该单元的一端连接型钢单元节点，另一端连接混凝土单元节点。位移约束及加载点处设刚性块，以免加载点处局部变形过大影响计算的收敛。

　　加载过程分为两步：先施加柱顶的轴压力，再施加柱端水平反复荷载。水平荷载的施加采用位移控制的方式。为了模拟混凝土的开裂、通裂、极限到破坏得全过程受力变形情况，采用足够多的荷载步。

　　从节点的有限元损伤和等效塑性应变图3可以看出，节点破坏时，核芯区的混凝土损伤和应变发展充分，核芯区型钢腹板达到屈服强度330Mpa，箍筋已经屈服，节点的破坏接近核芯区剪切破坏。梁筋的粘结力增大了斜压杆的受力，粘结滑移的存在减缓了梁筋向节点区斜压杆力的传递。节点的梁端和柱端混凝土的破坏都较严重，但是节点处型钢骨架的塑性等效应变在梁柱交接处较大，且向梁筋渗透。由于节点的梁筋弯钩处存在较大的挤压力，压杆的倾角较陡，造成斜压杆超出核芯区而到柱子范围内。这样就需要靠近核芯区的外侧柱子箍筋提供必要的水平拉力来维持较陡斜压杆达到受力平衡。

　　6 结论

　　结构中的梁柱节点的正确设计和安全至关重要，本文通过有限元技术对一型钢混凝土节点进行了模拟分析，可以得到，由于节点中的应力分布很复杂，设计时必须遵守“强柱、弱梁、节点更强”的设计原则。必须保证结构达极限状态时，破坏首先发生在梁内，而节点在梁和柱破坏前，保持安全不破坏。梁柱连接的节点必须满足设计时采用的模型。节点设计时，在满足强柱、弱梁、节点更强”原则的基础上，应考虑:传力明确、构造尽可能简单、施工方便和节省材料。

　　参考文献

　　[1] 何小辉，武振宇，张扬，成博. 新型钢框架梁柱节点滞回性能试验研究及有限元分析[J]. 土木建筑与环境工程，2011，33（6）：70-78

　　[2] 王翠翠，刘忠，张孝芳，李春月，肖辉. 方钢管混凝土柱-工字型钢梁节点受力性能的非线性有限元分析[J]. 桂林理工大学学报，2011，31（4）：558-563

　　[3] 付涛，易慨. 梁柱T型钢连接节点有限元分析[J]. 交通科学与工程，2011，27（3）：41-47

　　[4] 李保明，周宏文，王尧燕，张代建，袁政强. 型钢混凝土桁架节点有限元分析[J]. 后勤工程学院学报，2009，25（4）：6-10