型钢混凝土与钢组合桁架节点的有限元分析

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发布时间：2021-09-03

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型钢混凝土与钢组合桁架节点的有限元分析
于江，张新明
(新疆大学建筑工程学院，新疆乌鲁木齐830047)
摘要：节点是结构传递内力的关键环节。本文利用PKPM软件对某高校综合实验楼整体结构进行设计分析，得
到桁架部分各个杆件的内力，再运用ANSYS有限元分析软件建立节点有限元模型，将得到的内力施加在节点的实
体模型上，分析了节点中混凝土与型钢的应力分布情况和破坏机理以及型钢腹板厚度、混凝土强度等影响参数改
变对节点抗剪承载力的影响。
关键词：桁架节点；有限元分析；应力分布；影响参数
中图分类号：TU392．1 文献标志码：A 文章编号：1008—1933(2014)01—009—04
Finite element analysis of truss joints of steel reinforced
concrete with steel
YU Jiang，ZHANG Xinming
(College of Civil Engineering，Xinjiang University，Urumqi 830047，China)
Abstract：Joint is the key part connecting beams with columns，and the internal force transfer from beam to column through joint．The
software PKPM is applied to make statics analysis．The internal force of each component is distilled and brought to the hypostatic model
of truss joint in order to make finite element analysis，the stress distribution of conerete and steel of the joints have been analyzed．The
influence of steel web thickness，conerete strength of the joint has been researched．
Key words：truss joints；finite element analysis；stress distribution；influence param eter
0 前言
国内外对型钢混凝土组合节点进行了不少研
究，但仍有很多问题没有解决。以往所做的试验大
多针对少数的实际工程来解决问题，没有代表性。
因此，对于复杂节点，采用有限元方法，就能够分析
各种影响参数变化时对节点受力性能的影响⋯ 。
本文研究的对象是某高校的科技综合楼，总建
筑面积为5万平方米，建筑总高度48．5 m，采用框
架一剪力墙结构 J。由于在综合楼一层局部部位有
个会议室需要采用大空间，为了满足建筑功能的使
用要求，需要将一层的柱子去除，设置桁架转换结
构，将柱距7．8 m转换为15．6 m，如图1所示。
1 单元类型和材料模型
1．1 单元类型
本文中桁架节点是由型钢和混凝土两种材料组
成，型钢采用壳体SHELL181单元进行模拟。混凝
收稿日期：2012-07-20
作者简介：于江(1960一)，男，河南西峡人，教授，研究方向为结构
工程。
基金项目：新疆维吾尔自治区教育厅重点项目(XJEDU2008107)
通讯作者：张新明(1986一)，男，硕士研究生，研究方向为结构工程。
E —mail：zxinm1986@ 126．com
图1 桁架转换结构
Fig．1 Transfer trusses
土则采用实体单元Solid65单元模拟，并且混凝土采
用钢筋弥散组成的整体式模型，即在混凝土单元的
不同方向分别设定参数，使用参数来输人钢筋在混
凝土单元中的位置、角度及配筋率等。
1．2 材料模型
本文将型钢及钢筋视为弹塑性材料，不考虑其
刚度退化和Bauschinger效应，采用双线性等向强化
模型(BISO)输入，将材料屈服后的切线模量设置为
0，成理想弹塑性材料，其模型如图2所示。
混凝土单元采用弹塑性本构模型(多线性等向
强化模型)来模拟混凝土。该本构模型分为上升段
和下降段两个部分，二者在峰点处连续，如图3所
示。数学表达式分别为：
当 ≤1时：

于江，等：型钢混凝土与钢组合桁架节点的有限元分析
与混凝土单元对应节点的3个平动自由度，以保证
两种单元协同受力。
3 节点的计算分析
按照上述的建模和荷载施加过程进行有限元分
析，主要考察节点在极限荷载下的内力分布和破坏
机理，以及对影响节点承载能力的参数进行分
析，如图8、9所示。
NoDAL S0LUTIoN
S丁Ep=-l
SUB=46
TIME；49 826
SEQV (AVG)
DMX=00o298
SMN=0 15Oe D7
SMX=o 225B+09
0 l50B+07 0 533E十08 0 105E+ 0 l57E+09 0 209E+0 9
0 274E+08 0 793E+0 8 0 l3IE+o9 0 183E+09 0 235E+09
图8 型钢Von Mises应力云图
Fig．8 Von-Mises stress of steel
NonAL S0LUTl0N
SUB-46
TIME-49 826
SEQV (AVG)
DMX 0o2949
SMN=99903
SMX=o 252E+08
99903 0 569E+0 7 0 l】3E+o8 0 169E+o8 0 224E+08
0 289E+0 7 0 848E+0 7 0 l4lE+0 8 0．197E+o8 0 252B+08
图9 混凝土Von Mises应力云图
Fig．9 Von-Mises stress of concrete
在对中节点施加荷载的过程中，首先在型钢斜
腹杆的翼缘处会出现应力集中现象，型钢其他部位
的应力数值都很小。混凝土单元在施加约束的部位
会产生局部的应力集中，但是数值很小，可以忽略不
计。
随着荷载的进一步施加，型钢斜腹杆的翼缘处
应力数值有所增加，但是当中节点破坏时型钢斜腹
杆尚未屈服。型钢斜腹杆的腹板处应力数值也有较
大的变化，并且沿着中节点受力45。的方向进行延
伸，符合节点应力增长的趋势。中节点混凝土部分
的应力依旧是在施加约束的部位和施加荷载的部位
增长较快，节点的应力分布和型钢一致，都是沿着
45。的方向进行延伸，节点核心区域应力较其他区域
都大。节点在极限荷载作用下时，型钢应力分布的
区域大致没有发生变化，但是数值有所增加。节点
在极限荷载作用下会发生剪切破坏。在分析的过程
中，除了能够得到中节点在极限荷载作用下的应力
分布之外，还能得到中节点的极限承载力，如图10
所示，即为中节点的荷载一位移曲线。
当荷载在2400 kN以内时，节点处于弹性工作
状态，当加载到2450 kN以上时，节点的荷载一位移
曲线斜率有较小的改变，有部分区域首先进入塑性，
内力发生重分配，但整个节点仍可继续承受荷载，当
图10 中节点的荷载一位移曲线
Fig．10 The loading-displacement curve of the joint
荷载达到2900 kN以上时，节点有明显的塑性变形，
曲线的斜率越来越小，在达到3500 kN左右时节点
已达到其极限荷载。实际上，在静力荷载下节点的
荷载设计值为2825 kN，这时，节点核心区域应力较
大，并进入了塑性，内力进行了重分布，当荷载继续
增大时，塑性区域才不断向四周扩散，使节点出现显
著的塑性变形，节点才会受剪破坏，所以，在设计荷
载作用下该节点不会破坏，满足承载能力的要
求。
4 影响参数分析
分析了中节点的受力性能后，需要对影响节点
受力性能的参数进行分析，主要是研究当型钢节点
的型钢腹板厚度和混凝土的强度等级发生变化时，
节点的极限承载力会如何变化。
4．1 型钢腹板
型钢腹板厚度由20 mm增加到28 mm、30 mm
和32 mm时，分别对节点进行编号SRC．1、SRC-2、
SRC-3、SRC-4。研究当型钢腹板的厚