矩形钢管混凝土K型节点数值分析探讨

阳舒文，刘忠，杨龙刚

（湘潭大学土木工程与力学学院，湖南湘潭 411105）

矩形钢管混凝土K型节点数值分析探讨

阳舒文，刘忠，杨龙刚

（湘潭大学土木工程与力学学院，湖南湘潭 411105）

采用有限元分析技术，针对矩形钢管混凝土桁架K型节点的受力性能问题，进行了非线性数值模拟，计算值与试验值吻合较好。结果表明，论文所建立的三维有限元模型是有效的。通过研究钢管混凝土K型节点典型的荷载-变形全过程关系曲线的特征，考察了节点区域受力变形发展过程、应力应变分布情况以及钢管和混凝土相互作用等受力机理。

钢管混凝土桁架;K型节点;受力性能;非线性分析

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.09.005

1 引言

矩形钢管结构以其节点形式简单、外形美观等优点在工程中得到了广泛的应用。矩形钢管结构的设计理论也很成熟，各国设计规范中均有矩形钢管结构设计方法的相关条文。由于支管与主管的焊接处一般是节点的受载情况下最容易破坏的位置，通常的处理办法是在此处焊接加劲板。工程师为改善节点性能,且不影响结构外观，在节点的主管内灌注混凝土,形成一种新型节点—矩形钢管混凝土节点[1]。

本文采用有限元分析软件ANSYS，针对矩形钢管混凝土K型节点的受力性能问题，根据前人的研究成果，进行了非线性数值模拟。通过研究钢管混凝土K型节点典型的荷载-位移曲线的特征，钢管节点和钢管混凝土节点的不同破坏模式，以及混凝土Mises应力分布，揭示了混凝土对钢管混凝土节点极限承载力提高的贡献。

2 矩形钢管混凝土K型节点有限元模型的建立

2.1 试验概述

针对矩形钢管混凝土桁架K型节点的受力性能，刘永健等人[2]进行了系列试验研究。试件尺寸见表1，加载装置及测点位置见图1。

表1 钢管混凝土K型节点的几何参数

图1 试验装置示意图

2.2 材料的本构模型

钢管的应力-应变关系采用双线性模型，该模型有弹性段和强化段，强化段的模量可取值为0.01Es。考虑材料的弹塑性时,采用多线性随动强化准则,遵守Von Mises屈服准则和相关流动法则。

混凝土的应力-应变关系采用韩林海[3]提出的，考虑钢管约束效应的约束混凝土模型。采用Willam-Warnke五参数破坏准则检查混凝土开裂和压碎，为了提高运算效率，关闭压碎功能。

2.3 单元类型和网格划分

钢管采用4节点的SHELL181单元进行模拟，每个节点有6个自由度。适合模拟薄壳至中等厚度壳单元。建议设置KEYOPT(3)=2，即选择非协调的完全积分方案，该选项能够避免可能产生的“沙漏”问题。核心混凝土采用8节点的SOLID65单元进行模拟，每个节点有3个自由度。该单元最重要的是对材料非线性的处理，可模拟混凝土开裂、压碎、塑性变形及徐变。建议设置KEYOPT(7)=1，即开裂后缓慢释放荷载，已帮助收敛。钢板采用8节点的SOLID45单元，每个节点有3个平动自由度。该单元与SOLID65单元相似，只是没有开裂与压碎功能。

网格的疏密程度十分重要，合理地网格划分，即能保证计算精度，又能提高计算效率。本文在进行单元网格划分时，钢管与核心混凝土的网格划分采用映射划分，钢板的网格划分采用扫略划分。为达到使计算结果收敛且精准的目的，在模型部件接触部位，尽量通过对部件的切分使网格节点对齐。此外，由于SOLID65单元本身是采用弥散裂缝模型和最大拉应力开裂判据,在很多情况下会因为应力集中而使混凝土提前破坏,从而和试验结果不相吻合，根据陆新征[4]的研究，当最小单元尺寸大于5cm时,就可以有效避免应力集中的问题。

2.4 界面模型和边界条件

钢管与混凝土界面选用接触单元CONTA173及目标单元TANGE170。其中腹杆与垫块、弦杆与垫块之间的接触装配采用MPC法（即利用接触单元和技术，由ANSYS计算软件根据接触运动自动建立约束方程，并与绑定或不分离接触等选项结合，实现各种装配接触和运动约束）。弦杆中钢管与核心混凝土之间的接触类型采用标准接触，经过大量试算，将接触刚度的比例因子取为0.1，侵入允许容差为-0.01，核心混凝土与钢材的动摩擦系数取为0.25，可以获得满意的结果。约束和加载情况如图2所示。

图3 钢管混凝土节点有限元模型

2.5 模型验证

本文针对试验过程，选取了K2-c18和K2-028两个节点试件进行有限元数值模拟，得到了钢管混凝土K型节点受压腹杆的荷载－位移曲线，如图3所示。

图3 节点K 2-028和K 2-C18荷载位移曲线

通过有限元计算，试件K2-028的极限承载力为163kN，而通过试验得到的则为171kN，二者之间相差4.09%。试件K2-C18的极限承载力为154kN，而通过试验得到的则为185 kN，二者之间相差14.79%，这是由于混凝土出现裂缝运算即中止，造成了计算结果的误差。由两者对比分析的结果可知，有限元模型的计算结果与试验值吻合较好，从而可以验证了本文所建立的钢管混凝土K型节点三维有限元模型的合理性。有限元计算值与试验实测值的比较如图4所示。

图4 破坏模式的比较

3 矩形钢管混凝土K型节点受力分析

根据李云峰等人的[5]研究，圆形钢管节点在灌注了混凝土后，核心混凝土处于三向受压状态，材料处于塑性状态，破坏时形成显著的鼓曲效果，延性大大增加。在矩形钢管混凝土节点中，核心混凝土受到的约束效应并不明显，其承载力提高有限，这点从本文2.5节可以看出。但是由于核心混凝土的存在，结构的刚性大大增强。钢管混凝土节点的破坏模式由，未灌注混凝土时的主管凹陷屈曲失稳，变为核心混凝土受压破坏，如图5所示。

图5 核心混凝土M i ses应力分布

计算结果表明，在受压支管与主管的焊接处，核心混凝土的应力达到了单轴抗压极限值，混凝土被压坏。矩形钢管混凝土K型节点中，类似于钢筋和混凝土之间的咬合作用，摩擦力和黏结力的存在使得钢管和核心混凝土可以一起工作。当主管受压时，核心混凝土处于三向受压状态，节点的强度和刚度得到增强；当主管受拉时，混凝土对主管的保护作用有限，仅能提供一定的结构稳定性。此外，由于核心混凝土的存在，节点间隙处的抗剪强度得到显著提高，可以有效的避免节点的冲剪破坏。

4 结论

从以上分析得到以下几点结论：

1)矩形钢管混凝土K型节点与矩形钢管K型节点相比，强度得到一定的提高，刚度得到显著提高。

2)本文采用有限元分析软件ANSYS，针对矩形钢管混凝土K型节点的受力性能问题，进行了非线性数值模拟。计算值与试验值吻合较好，证明本文所建立的三维有限元模型是有效的。

【1】吴耀华，吴文奇.钢管在结构工程中的应用与发展[J].钢结构，2005，2(20)：45-49.

【2】刘永健，周绪红，刘君平.矩形钢管混凝土K型节点受力性能试验[J].建筑科学与工程学报，2007,24（2）：36-42.

【3】韩林海.钢管混凝土结构－理论与实践(第二版)[M].北京：科学出版社，2007.

【4】陆新征，江见鲸.用ANSYSSOLID65单元分析混凝土组合构件复杂应力[J].建筑结构，2003,33（6）：22-24.

【5】李云峰.浅谈钢管混凝土在结构工程中的应用[J].山西建筑,2009，35（6）:97～98.

Investigation on Numerical Simulation of Concrete-filled Rectangular Steel Tube K-joints

YANGShu-wen，LIUZhong，YANGLong-gang
(CollegeofCivilEngineeringandMechanics，XiangtanUniversity，Xiangtan 411105，China)

】In this paper, the finite element analysis technique is used to analyze the mechanical behavior of the Concrete-Filled RectangularSteelTube (CFRST)K-joints, and the nonlinearnumerical simulation is carried out. and the calculated resultswere agreedwell with the experimental ones. The results show that the 3D finite element analysis model is effective. By analysis to the characteristics of typical load-deformation curves of the CFRST K-joints, the developments of the forces and deformations in the joint region were investigated. The stress and strain distribution over the joint region and the interaction between the steel tubularwall and the core concrete werealsostudied.

CFRST；K-joints;forceperformance;nonlinearanalysis

TU502.6;TU528.59

A

1007-9467（2016）09-0038-03

2016-04-24

阳舒文（1984～）,男，湖南衡阳人，研究生,从事结构工程研究，（电子信箱）458012243@qq.com。