新型钢管混凝土柱方形环梁节点有限元分析

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发布时间：2021-09-03

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新型钢管混凝土柱方形环梁节点有限元分析
葛森，聂肃非，单瑶嘉
(华中科技大学土木工程与力学学院，湖北武汉430074)
摘要：在圆形环梁节点基础上提出方形环梁节点，借助ANSYS软件建立了两种节点形式有限元模型进行非
线性分析。通过分析方形环梁节点抗剪环、环梁混凝土及其钢筋的应力分布规律研究了节点的抗剪、抗弯机
理，并与圆形环梁节点进行对比，推导了方形环梁节点抗弯承载力设计公式，就影响梁端弯矩分配的几个主要
几何因素进行正交试验分析。研究结果表明：方形环梁节点中环梁受力较为均匀，其配置直线型的钢筋更有利
于内力的传递；方形环梁梁端弯矩一部分由环梁上部受拉纵筋和下部受压混凝土形成抵抗力矩来承担，另一部
分则转化为环梁扭矩，这两部分弯矩分配的比例受到节点几何因素的影响，其中环梁高度的影响最为敏感，环
梁越高，分配的扭矩越小。
关键词：方形环梁节点；有限元分析；受力机理；抗弯承载力设计方法；正交试验法
中图分类号：TU528．59 文献标识码：A 文章编号：2095-0985(2013)04-0049-06
FEA of New STCC Column Joint Connected W ith Square Ring Beam
GE Sen，NIE Su-fei，sHAN Yao-jia
(School of Civil Engineering and Mechanics，Huazhong University of Science and Technology，
Wuhan 430074，China)
Abstract：Based on circle ring beam joint，the square ring beam joint is proposed and the finite element
models of these two types of joints are built with ANSYS．The shear and bending mechanism of square ring
beam joint were studied by analyzing the stress distribution of inshear rebar，ring beam concrete and
longitudinal reinforcement，and compared with circle ring beam joint，designing method of square ring
beam was also proposed，and the influence of several main geometric factors to bending moment distribution
was studied by orthogonal test．Th e results show that：the distribution of the internal force in square ring
beam is comparatively uniform，and straight longitudinal reinforcement is more conducive to transfer
stress；The bending of square ring beam joint will be divided into two parts，one is offset by the
tensile reinforcement and pressured steel tube，the other is transformed into the ring beam torque，and
the proportion of these two parts is affected by geometric sizes，of which height of ring beam is the most
sensitive．
Key words：square ring beam joint；FEA；stress mechanism；designing method of flexural capacity；
orthogonal test
关于钢管混凝土柱与RC梁连接节点的做法
是设计和施工中较为棘手的问题，文献[1]中提
出了环梁节点，其构造是在框架梁截面高度处围
绕钢管混凝土柱设置圆环形钢筋混凝土梁，将框
架梁纵筋弯折锚固于环梁内，并沿钢管围焊一道
或多道钢筋作为抗剪构件。因施工简便和经济效
益明显，环梁节点受到很大关注，但至今仍未有一
个统一可靠的承载力设计方法，其原因可能与
环梁节点连接形式存在的某些不足相关，例如，环
梁截面上的弯矩、扭矩随着截面角度的不同而持
续改变，致使截面受力十分复杂，并且此类截面是
否满足平截面假设也无相关理论或试验支持，使
用《混凝土结构设计规范》中的方法求解截面
承载力未必可靠。另外，圆形环梁纵筋在混凝土
收稿日期：2013-05-02 修回日期：2013-06—19
作者简介：葛森(1990一)，男，安徽安庆人，硕士研究生，研究方向为钢筋混凝土结构(Email：372865097@qq．corn)
· 50‘ 土木工程与管理学报
约束下局部范围内受到框架梁端荷载作用时，其
内部应力的传递受到一定程度的阻碍，使得环梁
纵筋应力分布不均匀，某些部位较早出现屈服。
鉴于此，本文在参考RC圆环梁节点以及文
献[4]中建议的几类节点形式的基础上，提出方
形环梁节点，通过实体有限元建模计算，分析了方
形环梁节点的传力机理，并与圆形环梁节点相关
结果进行对比，最后根据节点的受力特点对抗弯
配筋的设计进行了研究。
1 方形环梁节点构造及有限元模型
1．1 方形环梁节点的构造
方形环梁节点构造如图1所示。方形主要针
对环梁纵筋而言，在各支框架梁之间呈直线分布。
其中设置抗剪环用于抵抗梁端剪力的方法同圆形
环梁节点相同，不同之处在于图1(a)所示虚线部
分表示的环梁纵筋的分布形态，其钢筋在各框架
梁之间直线相连，与框架梁相交处则垂直于框架
梁轴线。在环梁内侧最短纵筋长度范围内可以正
常配置箍筋，而距框架梁较近的区域，宜在框架梁
纵筋和环梁纵筋的交接点处配置适当箍筋，此类
箍筋只能连接该节点与其环外侧的环梁纵筋。
(a)环梁1，点平面图 (b)A A剖面图
图1 方形环梁节点
1．2 有限元模型的建立及加载
利用ANSYS建立“一”字形的方形环梁节点
有限元模型，混凝土采用Solid65实体单元，钢筋
采用Link8杆单元，在环梁混凝土与钢管外壁问
的接触表面上分别覆盖Targel70和Conta174单
元来模拟面面接触。其混凝土及钢筋有限元模型
如图2、3所示，设环梁名义宽度为环梁最短宽度，
即与框架梁轴线呈45。角的截面宽度。其中钢管
尺寸为 800×5，环梁最小宽度截面为300 X 550，
框架梁截面为300 X 550，环梁对称配置纵筋
4 25，在环梁内侧最短纵筋长度范围配置 14@
100的箍筋，在环内侧起第二个环梁纵筋与框架
梁纵筋交接点处设置一道4,14的箍筋，如图3所
示，框架梁上下层分别配置纵筋4 32和4 25，
在钢管距环梁底部100 mm高度处围焊边长为20
mm的正方形截面抗剪环，混凝土等级为C30。
图2 方形环梁节点混凝土有限元模型
图3 方形环梁节点钢筋有限元模型
另外，为了对比圆形环梁和方形环梁的受力
特点，同时验证非线性有限元计算的准确性，本文
也选取了文献[1]中圆形环梁节点E1试验模型
进行建模计算，其环梁截面尺寸为400 X 550，配
置箍筋d~14@250，其他尺寸与配筋量同上述方形
节点模型一致。
计算取1／4模型，约束柱底层节点所有自由
度并限制顶层节点、Y方向位移，首先在柱顶施
加1000 kN的压力维持稳定同时模拟钢管混凝土
柱的受力状态，然后分别施加剪力和弯矩进行计
算。计算剪力时在与框架梁相交的环梁区域顶部
施加500 kN的压力；计算弯矩作用时在梁端施加
竖直向下的压力500 kN，在环梁节点处将产生相
应的弯矩。计算时采用力收敛准则，将精度调至
5％，使用Newton—Raphson迭代并打开线性搜索
功能
2 梁端荷载一位移计算结果对比
对两种节点框架梁梁端施加垂直压力，根据
计算结果绘制了梁端荷载一位移曲线，并与文献
[1]中E1模型试验得到的圆形环梁节点荷载位
移曲线进行比较，如图4所示，可以看到圆形环梁
节点计算结果与试验结果吻合较好，有限元计算
圆形环梁节点梁端荷载为305 kN后便不再收敛，
试验测得极限荷载为310 kN。因此可以用AN
SYS对本文提出的方形节点进行仿真分析。另外
图中还给出了方形环梁节点的荷载．位移曲线，从
图中看出在环梁纵筋量相同的情况下，方形环梁
节点具有较高的承载能力，因此，值得对其作进一
步的研究