维普资讯 http://www.cqvip.com 第２８卷第６期 三峡大学学报（自然科学版） Ｖ０Ｉ．２８ Ｎｏ．６ ２００６年１２月 Ｊ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｔｈｒｅｅ Ｇｏｒｇｅｓ Ｕｎｉｖ．（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ） Ｄｅｅ．２００６ 方钢管混凝土柱一钢梁框架节点优化设计 杜国锋 江楚雄 （１．长江大学城市建设学院，湖北荆州４３４０２３；２．武汉大学土木建筑工程学院，武汉４３００７２） 摘要：利用有限元软件ＡＢＡＱｕｓ ６．５建立内隔板外伸式方钢管混凝土柱一钢梁框架节点模型，进行 数值模拟分析．通过与试验结果对比，验证了有限元模型的正确性和计算结果的可靠性．通过优化 隔板形状，减小了隔板与钢梁连接区域的应力集中；通过改变隔板外伸尺寸６并进行多次数值计 算，得出ｂ值的确定方法；通过对边节点和角节点数值模拟，得出可以减小节点隔板悬伸距离ｎ的 结论，方便了建筑外立面装修．实施这些优化措施，在不影响节点承载能力的前提下，提高了节点 的适用性． 关键词：节点； 钢管混凝土； 优化设计； 有限元 中图分类号：ＴＵ３２３．５ 文献标识码：Ａ 文章编号：ｌ６７２—９４８Ｘ（２ＯＯ６）０６—０５０９－０４ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ。Ｆｉｌｌｅｄ Ｓｑｕａｒｅ Ｓｔｅｅｌ Ｔｕｂｕｌａｒ Ｃｏｌｕｍｎ Ｓｔｅｅｌ Ｂｅａｍ Ｆｒａｍｅ Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ Ｄｕ Ｇｕｏｆｅｎｇ Ｊｉａｎｇ Ｃｈｕｘｉｏｎｇ （１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｕｒｂａｎ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，Ｙａｎｇｔｚｅ Ｕｎｉｖ．，Ｊｉｎｇｚｈｏｕ ４３４０２３，Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒ— ｉｎｇ，Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖ．，Ｗｕｈａｎ ４３００７２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌｓ ｏｆ ｄｉａｐｈｒａｇｍ ｓｕｂａｓｓｅｍｂｌｙ ｊｏｉｎｔｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｃｏｎｃｒｅｔｅ—ｆｉｌｌｅｄ ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ ｓｔｅｅｌ ｔｕ— ｂｕｌａｒ ｃｏｌｕｍｎｓ ａｒｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂｙ ＡＢＡＱＵＳ ６．５．Ｉｔ ｐｒｏｖｅｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌｉＳ ｃｏｒｒｅｃｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｃａｌ－ ｃｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ｒｅｌｉａｂｌｅ ｔｏ ｃｏｍｐａｒｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ．Ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ｓｈａｐｅ ｏｆ ｄｉａｐｈｒａｇｍ ｒｅ～ ｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ａｒｅａ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉａｐｈｒａｇｍ ａｎｄ ｓｔｅｅｌ ｂｅａｍ．Ｃｈａｎｇｉｎｇ ｔｈｅ ｅｘｓｅｒｔｅｄ ｓｉｚｅ ｂ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉａｐｈｒａｇｍ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｔｈｅｓｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍｏｄｅｌｓ ｅｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｃｏｎｆｉｒｍｉｎｇ ６：Ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉ～ ｃａｌ ａｎａｌｙｓｅｓ ｏｆ ｅｄｇｅ ｊｏｉｎｔｓ ａｎｄ ｃｏｒｎｅｒ ｊｏｉｎｔｓ ｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｅｘｓｅｒｔｅｄ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｃａｎ ｂｅ ｍｉｎｉｓｈｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｃｅ ｆｏｒ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｅｌｅｖａｔｉｏｎ ｄｅｃｏｒａｔｉｏｎ．Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅｓｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｊｏｉｎｔｓ ａｐ— ｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｎｏｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ ｔｈｅｉｒ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｊｏｉｎｔ； ｃｏｎｃｒｅｔｅ—ｆｉｌｌｅｄ ｓｔｅｅｌ ｔｕｂｅ； ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ； ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ 节点是钢管混凝土柱框架结构的核心部位，起着 尽量简化节点构造等 ］．以《矩形钢管混凝土结构设 传递内力、分配内力和保证结构整体性的作用，节点 计与施工规程》（ＣＥＣＳ１５９：２００４）［２］推荐的内隔板外 的力学性能研究由来已久，国内外众多学者设计出型 伸式节点为研究对象，通过有限元数值模拟对方钢管 式和构造各异的节点，如现浇（预制）钢筋混凝土梁一 混凝土柱一钢梁框架节点进行了研究．鉴于普通内隔 钢管混凝土柱节点和钢梁一钢管混凝土柱节点等．也 板外伸式节点隔板与钢梁连接区域容易出现应力集 提出了节点设计原则，如：传力途径简捷明确、保证节 中现象，提出了优化措施，同时经过大量数值模拟得 点连接有足够的强度、节点连接应具有良好的延性、 出隔板外伸距离６的确定方法．为方便建筑外立面装 收稿日期ｔ ２００６一¨一２８ 基金项目：湖北省自然科学基金资助项目（２０Ｏ３ＡＢＡＯ５９）Ｉ长江大学科研基金资助项目（２ｏｏ４Ｚｏ９ｏ４） 作者筒介｛杜国锋（１９７５）．男，讲师，主要研究方向为工程结构抗震． 维普资讯 http://www.cqvip.com ５１Ｏ 三峡大学学报（自然科学版） ２００６年１２月 ５ ４ Ｏ ３ Ｏ ２ ０ 口ｄ善 ｌ 修，通过对边节点和角节点数值模拟，得出可以减小 １．２有限元模型的建立 ０ Ｏ ０ Ｏ Ｏ Ｏ ０ Ｏ 节点隔板外边缘悬伸距离ｎ的结论．通过对此类节点 进行优化设计，在不影响节点承载能力的前提下提高 了节点的适用性． 有限元模型的建立与验证 １．１钢材和混凝土的本构关系 节点试验模型选用的钢材为Ｑ２３５普通低碳钢， 内填Ｃ３ｏ混凝土，具体情况见参考文献［３］．根据弹 塑性理论，考虑所模拟节点为静力加载，所以钢材受 拉区按三线型应力一应变关系考虑，受压区按双线性 考虑，具体数值按材料性能试验参数（见表１）取用， 应力一应变关系见图１，屈服准则为Ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ屈服 准则．大多数钢管混凝土柱框架节点破坏均为梁端弯 曲破坏，管内混凝土基本完好，因此按单轴受力本构 关系确定混凝土的应力一应变曲线，见图２，屈服准则 采用Ｄｒｕｃｌｅｒ—Ｐｒａｇｅｒ屈服准则＿４］．由于模拟的为静载 试验，侧重点在对隔板的优化设计上，因此未考虑钢 管与核心混凝土的粘结． 表１材料性能试验结果 极限强度 弹性模量 材料 ，、▲ ’Ｉ－ＩＩ－Ｉ ， ／（Ｎ・ｍｍ ）／（１０ ＭＰａ） ． ． ．，． ．． ０＿＿／０３－０．０２－０．０１ ７／ ㈣ 应变 图１钢材应力一应变关系曲线 图２混凝土应力一应变关系曲线 运用大型有限元软件ＡＢＡＱＵＳ ６．５进行数值模 拟计算，在有限元建模中，对钢管混凝土柱和钢梁均 采用三维实体单元（Ｃ３Ｄ２０），这种单元是２Ｏ节点六 面体二次完全积分单元，对应力的计算结果很精确， 适于模拟应力集中问题，一般情况下没有剪切自锁问 题，每个节点有３个自由度，即沿Ｘ、ｙ、Ｚ坐标轴的平 移．这种单元适用于分析非线性问题，支持弹性、蠕变 及塑性模型，可以较好地模拟钢管混凝土柱框架节 点，结构有限元模型见图３所示．在有限元数值模拟 中，按与模型试验相同的边界条件和工况输入轴压力 和梁端荷载，采用ＰＹＴＨＯＮ参数化程序设计语言编 制命令流，进行静力分析． 图３有限兀模型 １．３有限元模型的验证 将ＡＢＡＱＵＳ ６．５数值模拟结果与试验结果进行 了对比分析，图４为节点梁端的荷载一位移对比曲线， 从中可以看到，数值结果与试验结果吻合较好，说明 所建立的有限元分析模型较为准确，可以用于节点试 验模型的数值分析中． 至 禄 柱 图４梁端荷载一位移对比曲线 ２ 普通内隔板外伸式节点存在的问题 ２．１ 隔板与钢梁连接部位应力集中现象严重 对于普通方钢管混凝土柱一钢梁框架节点来讲， 外伸隔板与钢梁之间是焊接在一起的，一般钢梁的腹 板与柱壁焊接，钢梁上下翼缘与节点上下隔板焊接， 翼缘与隔板呈直角连接，此部位很容易产生应力集 中，并且受施工质量及焊缝本身强度的影响，此焊接 维普资讯 http://www.cqvip.com 第２８卷第６期 杜国锋等方钢管混凝土柱一钢梁框架节点优化设计 ５１１ 区域容易发生破坏．模型试验表明：翼缘与隔板连接 部位角点处在加载过程中应变增长最快，最先屈服， 然后塑性区域逐渐扩大，最后造成节点破坏，如图５ ３ 对普通内隔板外伸式节点进行优化 设计 ３．１ 改变隔板形状减小应力集中 所示．无论是框架中间节点还是边节点或角节点均存 在应力集中现象，与数值模拟结果相一致，图６为梁 端塑性应变达０．０００ ８时，粱端应力分布云图，在连接 区域的角隅处产生应力集中． 模型试验中，在节点上隔板顶面粘贴了８片应变 花，详见参考文献［２３．监测结果表明隔板４个角隅应 变很小，仅为０．０００ ３，这与数值模拟结果是一致的（４ 图５ 钢梁翼缘与隔板连接部位破坏 图６节点隔板与钢梁翼缘连接处应力集中 ２．２边节点和角节点隔板悬伸影响建筑立面装修 边节点和角节点都有一条边或两条边与建筑外 立面重合．因此，在节点与建筑外立面重合处，隔板的 悬伸距离（见图７中尺寸口所示）将直接影响立面的 装饰与装修．隔板是否一定要悬伸，悬伸距离ｎ应为 多少，在《矩形钢管混凝土结构设计与施工规程》中没 有直接说明．所以在具体工程的设计与施工中对此问 题处理千差万别．为提高认识，基于试验和有限元数 值模拟，提出了优化设计建议． 钢 图７边节点和角节点 个角隅处应力仅为０．３８３１～３７．８５ Ｍｐａ），见图６，可 以将其切除．钢梁翼缘与隔板连接处之所以会存在应 力集中现象就在于此处刚度变化突然，应力扩散不均 匀．为减小应力集中，将节点隔板形状进行了优化设 计，将隔板角隅切掉，使四边形变成八边形（改进工 型），或在工型基础上将焊缝位置向梁中部偏移（改进 Ⅱ型），见图８所示．在所有边界条件相同的情况下， 对普通型节点和改进工型节点进行数值计算，可以看 出，改进后的节点应力集中现象得以缓解（见图６和 图９），当粱端塑性应变为０．００１时，梁端最大应力为 ４０５．５ ＭＰａ，比改进前减小４５．１ ＭＰａ．因应力集中部 位与焊缝在一起，对节点受力很不利，建议工程中采 用改进Ⅱ型节点． 图８节点隔板优化设计 图９改进Ｉ型节点受力模拟 维普资讯 http://www.cqvip.com ５１２ 三峡大学学报（自然科学版） ２００６年１２月 ３．２减小隔板悬伸尺寸口方便建筑立面装修 对于内隔板外伸式方钢管混凝土柱一钢梁框架节 点来讲，内隔板有一定外伸距离可以保证上下柱与隔 板焊接的焊缝宽度和施工误差．因此边节点和角节点 与建筑外立面重合的隔板悬伸尺寸口必须保证留有 大于焊缝宽度的距离，并且充分考虑熔融透焊对钢材 性能的影响．另外，建筑立面装修的抹灰厚度一般为 １．５～２．０ ｃｍ，因此，隔板外伸尺寸可以考虑与抹灰厚 度相同．基于这一想法，将角节点模型隔板的悬伸尺 寸口分别定义为１．５ ＣＩＴＩ、２．０ ＣＩＴＩ、３．０ ＣＩＴＩ、４．０ ＣＩＴＩ、５．０ ｃｍ，梁端施加同样的荷载进行数值计算，图１０（ａ）和 （ｂ）分别绘出了口为１．５ ｃｍ和５．０ ｃｍ两种情况节点 应力云图，从图中可以看出，节点隔板悬伸距离的改 变对节点的应力分布模式没有影响，节点最大屈服应 力仅相差６．３ ＭＰａ，可以说基本没有影响．因此，边节 点和角节点隔板悬伸尺寸最小为１．５ ｃｍ是合适的． （ａ）ｎ １．５ ｃｍ （ｂ）ａ一５．０ ｃｍ 图１Ｏ节点应力云图 ４对内隔板外伸距离ｂ的讨论 内隔板的外伸距离是指隔板伸出柱边的距离，见 图８中尺寸ｂ所示．对于中间框架节点来说，隔板４ 个方向外伸距离ｂ相同，边节点和角节点隔板悬伸距 离ｎ与外伸距离ｂ不同．外伸距离ｂ的确定要考虑施 工工艺和节点实际受力性能的影响，对于内隔板外伸 式节点大多以施工现场焊接为主，较少有工厂流水加 工的，因此要充分考虑现场焊接的定位误差、焊缝宽 度、焊接影响区域等因素的影响，在此基础上进行理 论计算，以得到隔板外伸距离ｂ的数值确定方法．基 于这一思想，选择ｂ等于２ ｃｍ、３ ｃｍ、４ ｃｍ、５ ｃｍ、６ ｃｍ 几个宽度进行数值计算，对梁端最大应力区域（隔板 与钢梁连接部位）的最大应力、梁端荷载、梁端位移等 参数进行了比较分析，见表２．从表中可以看出：当梁 端荷载均为１２ ｋＮ、连接部位产生的最大塑性应变均 为０．００１时，随着隔板外伸宽度ｂ的增加，隔板与 钢梁连接区域最大应力值逐渐减小，梁端位移也呈减 小趋势，可以得出宽度增加对节点受力有利的结论． 但ｂ增加过宽将影响梁端塑性角的产生区域，也没有 必要，综合考虑各方面因素，建议隔板外伸宽度ｂ的 取值最小为２ ｃｍ，最大值为钢梁翼缘宽度的１／２． 表２隔板外伸宽度６对节点受力性能的影响 外伸宽度梁端最大连接区域最大连接区域最大梁端最大 ｂ／ｃｍ 荷载／ｋＮ 塑性应变 应力／ＭＰａ 位移／ｍｍ １２．００ ０．００１ ４７０．５６ １９．６３ ｌ２．００ ０．ＯＯｌ ４６２．４８ １９。ｌ２ １２．ＯＯ Ｏ．ＯＯ１ ４５ｌ＿３２ １８．３５ １２．ＯＯ Ｏ．ＯＯ１ ４３６．８７ １７．２６ １２．００ Ｏ．ＯＯ１ ４２２．８７ １６．Ｏ２ ５ 结 论 （１）数值模拟结果与试验结果符合较好，说明 ＡＢＡＱｕｓ ６．５可以用来模拟内隔板外伸式方钢管混 凝土柱一钢梁框架节点的受力过程，对节点进行优化 设计，为工程设计提供参考依据． （２）通过改变节点隔板形状能有效地减小隔板与 钢梁翼缘连接区域的应力集中，建议工程中采用改进 Ⅱ型节点． （３）为方便建筑立面装修，边节点和角节点隔板 悬伸距离ｎ可以比外伸距离ｂ小，可小到１．５ ｃｍ；中 间节点隔板的外伸距离ｂ宜在２ ｃｍ～１／２钢梁翼缘 宽度之间取值． 参考文献： ［１］ 卢海林，吴军民，许成祥．钢管混凝土框架节点选型与设 计ＥＪ］．武汉理工大学学报，２００４。２６（２）：４２ ４３． ［２］ 矩形钢管混凝土结构设计与施工规程［Ｍ］．北京：中国 计划出版社，２００４． ［３］刑丹．内置隔板式方形钢管混凝土节点性能研究ＥＤ］． 武汉：武汉大学，２００５． ［４］ Ｅｈａｂ Ｅｌｌｏｂｏｄｙ，Ｂｅｎ Ｙｏｕｎｇ，Ｄｅｎｎｉｓ Ｌａｍ．Ｂｅｈａｖｉｏｕｒ ｏｆ ｎｏｒｍａｌ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｃｏｎｃｒｅｔｅ－ｆｉｌｌｅｄ ｃｏｍｐａｃｔ ｓｔｅｅｌ ｔｕｂｅ ｃｉｒｃｕｌａｒ ｓｔｕｂ ｃｏｌｕｍｎｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ— ａｌ Ｓｔｅｅｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，２００６，６２：７０６—７１５． Ｅ５］庄茁，张 帆，岑 松．ＡＢＡＱＵＳ非线性有限元分析 与实例［Ｍ］．北京：科学出版社，２００５． ［责任编辑王康平］
