方形钢管混凝土柱与H型钢梁半刚性连接节点分析

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【摘要】本文介绍了一种方形钢管混凝土柱与H型钢梁半刚性连接节点形式—穿芯螺栓平端板节点，并对其用通用有限元计算程序ANSYS进行了三维非线性有限元分析，从而得到此节点在外力荷载作用下的受力特性及其弯矩与转角关系。

【关键词】方形钢管混凝土；梁柱半刚性节点；穿芯螺栓—平端板节点

1 前言

钢管混凝土结构由于充分发挥了混凝土与钢材的材料特性，具有承载力高、塑性与韧性好、节省材料等显著特点，同时钢管混凝土结构一般外形规则，梁柱连接相对简单，结构设计与施工都较方便，是一种综合性能优良的新型组合结构，在实际高层建筑工程中得到了广泛的应用并取得了较好的技术经济效益。方形钢管混凝土结构是钢管混凝土结构中应用较多的一种，目前我国对方形钢管混凝土的研究主要集中于单一构件受力性能及设计方法的研究，而对节点的研究相对较少，而在钢结构设计中，节点设计的好坏也是结构安全与否的关键因素之一。现有的方形钢管混凝土柱与H型钢梁的连接主要有刚接与铰接两种节点类型，对方形钢管混凝土梁柱半刚性连接的研究并不多见。为此，本文参照设计的模型尺寸，结合钢结构节点构造要求，设计了一种方形钢管混凝土柱与H型钢梁半刚性连接节点：穿芯螺栓—平端板连接节点，并通过通用结构有限元分析软件ANSYS对该节点进行了三维非线性有限元分析，了解其在外力作用下的受力性能、应力分布情况及节点弯矩—转角关系。

2 有限元模型介绍

有限元计算模型中，混凝土采用能够反映混凝土特性的六面体八节点实体单元Solid 65，单元的每个节点具有3个自由度；钢管与钢梁采用六面体八节点实体单元Solid 45，每个节点具有3个自由度；螺帽近似按圆形考虑，采用六面体八节点实体单元Solid 45单元，螺栓为楔形体（由Solid 45退化而成）。考虑钢管与混凝土、钢管与端板、钢管与螺栓垫板、螺栓与混凝土、螺栓与钢管、螺栓与端板以及螺栓与垫板之间的接触。接触类型为柔体—柔体接触类型，目标单元选用Targe 170，接触单元选用Conta 174，混凝土与钢管之间的摩擦系数取0.25。钢管与端板、垫板之间的摩擦系数为0.33。根据对称性原理，取模型的一半进行非线性有限元分析。整个模型具有11921个节点， 12482个单元，35763个自由度。

假设模型不考虑钢材的几何缺陷，也不考虑焊缝及施焊产生的残余应力，在受力过程中不会发生螺栓脱落现象，即认为螺栓与螺栓帽之间无相对滑移，将两者粘为一体。钢管混凝土柱顶部施加轴向均布荷载 ，柱轴压比为0.4；下端固定，上端在 和 方向固定，即在轴力作用下，允许钢管混凝土柱发生轴向位移。在梁端逐步施加竖向荷载，以跟踪节点受力特

3 计算及分析结果

通过有限元分析可以得到节点区域钢管与管内混凝土应力分布、方形钢管混凝土柱与H型钢梁节点的初始转动刚度以及节点弯矩与转角关系曲线等情况，可以详细了解钢管混凝土柱－钢梁半刚性节点在静荷载作用下的工作特性。具体如下：

3.1 节点受力特性

通过设计APDL（Ansys 参数化设计语言）跟踪可以了解方形钢管混凝土柱与H型钢梁穿芯螺栓—平端板节点在外力荷载下的破坏机理：随着梁端荷载F的逐级增加，当梁端荷载为F＝ 时，端板中最上排螺栓孔附近的钢材首先屈服，并且屈服区域随着荷载的增加向着端板与钢梁连接处不断发展并向梁端逐渐扩大；当梁端荷载F达到 时，钢管内混凝土在与螺栓相接触的点开始达到混凝土抗压强度，此处混凝土出现局部压碎现象，此时该点混凝土不能继续承受逐渐增长的外荷载，增加的外荷载由此点附近的混凝土来承担；当梁端荷载F增加 时，钢管螺栓孔附近的材料开始屈服，屈服区域随着外荷载增加而不断向外扩张。

在梁端竖向荷载作用下节点变形下，端板以其左下端与柱的接触点D为中心产生转动，穿芯螺栓在外力作用下呈受拉状态。最上排螺栓距转动中心距离最远，受到的拉力最大，在加荷初期，螺栓中的拉力由混凝土与螺栓之间的摩擦力来承担；当荷载增加时，螺栓与混凝土之间的摩擦力不足以抗衡此拉力，需要借助于螺帽承压来抵抗剩余的轴力，因此在柱的另一侧（无梁侧）螺帽附近的管内混凝土Von Mises应力比较大；荷载继续增加时，螺帽承受的压力也逐渐增大，但由于螺帽的面积较小，导致螺帽附近的管内混凝土很容易因局部压力过大而压碎，因此需在螺帽与钢管壁之间加设垫板，增加管内混凝土的受力面积，减缓管内混凝土的过早破坏。由于端板以其底部与柱接触点D处为中心发生转动，梁下翼缘的压力犹似以集中力的形式作用于钢管壁上，因此在此部位也形成了较大的应力集中，材料出现屈服，这在设计过程应引起注意。

当然由于ANSYS本身混凝土材料属性的局限性，钢管对混凝土的约束作用在模型中未能体现出来，但在整个受力过程中，除了在与钢管壁直接受力接触部位（螺栓孔附近、端板底部与柱接触处）产生应力集中以外，钢管整体受力还是比较均匀的，因此节点的受力特性可以不考虑钢管对混凝土的约束。

4 结论

本文采用ANSYS通用结构有限元分析软件对方形钢管混凝土柱与H型钢梁穿芯螺栓—平端板半刚性连接节点进行了三维非线性分析，得出以下结论：

4.1 方形钢管混凝土柱与H型钢梁穿芯螺栓—平端板节点是一种主要以受剪变形为主，同时含有一定的弯曲变形的半刚性连接节点，进行结构设计时，应根据半刚性连接节点的受力特性进行设计与构造。

4.2 采用穿芯螺栓连接时，在应力较高部位会出现管内混凝土局部压碎现象，因此当钢管混凝土柱与钢梁节点采用穿芯螺栓连接时，应在节点区域受力比较集中的地方设置适当的措施来防止钢管内混凝土过早地出现局部压碎，如在螺帽与钢管壁间设置垫板，加强端板底部与钢管接触部位的保护。

4.3 方形钢管混凝土柱与H型钢梁穿芯螺栓—平端板节点可以采用Richard-Abbott公式反映节点弯矩与梁端相对转角的关系。

参考文献：

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作者简介：

韩成英(1972- )，男，汉族，辽宁马鞍山人，红阳建设集团有限公司，本科，助理工程师。