2024年4月28日发(作者：未来人类笔记本)

２０１２年第Ｏ４期　

福　建　建　筑　

Ｎ００４・２０１２　

总第１６６期　

Ｆｕｊｉａｎ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ＆Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　

Ｖｏ１・１６６　

带环筋的穿心暗牛腿钢管混凝土柱节点有限元分析　

王燕瑁　王素裹　

（１．广州市设计院　广东广州　５１０６２０；２．福州大学土木工程学院福建福州３５０１０８）　

摘要：介绍了带环筋的穿心暗牛腿钢管混凝土柱节点的有限元分析结果，并与试验结果进行了比较，数据表明有限元能较好模　

拟节点受力情况，可以作为试验的有效补充进一步分析节点的受力机理。从试验及有限元两方面均表明此带环筋的穿心暗牛腿　

钢管混凝土柱节点是一种传力直接、延性好、施工方便、有良好工程应用前景的节点。　

关键词：钢管混凝土柱节点；环筋；有限元　

中图分类号：ＴＵ３１１．４　文献标识码：Ａ　文章编号：１Ｏ０４—６１３５（２０１２）Ｏ４～ＯＯ２５一Ｏ２　

Ｔｈｅ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｉｎ　ＣＦＳＴ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｒｉｎｇ　ｓｔｅｅｌ　ａｎｄ　ｓｔｅｅｌ　ｂｒａｃｋｅｔｓ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｕｂｕｌａｒ　ｃｏｒｅ　

ＷＡＮＧ　Ｙａｎｊｕｎ　ＷＡＮＧ　Ｓｕｇｕｏ　

（１．Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　Ｄｅｓｉｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｉｎ　Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ　Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５１０６２０：　

２．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｆｕｚｈｏｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｆｕｚｈｏｕ　３５０１０８）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ　ｃｏｍｐａｒｉｎｇ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ（ＦＥＡ），ｉｔ　ｉｓ　ｐｒｏｖｅｄ　ｔｈａｔ　ＦＥＡ　ｃａｎ　ｓｉｍｕｌａｔｅ　

ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ｐｒｏｐｅｒｌｙ　ａｎｄ　ｃａｎ　ｂｅ　ａｎ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．Ｂｏｔｈ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ＦＥＡ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｉｓ　

ｊｏｉｎｔ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ｒｉｎｇ　ｂｅａｍ　ｃａｎ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｔｈｅ　ｌｏａｄ　ｄｉｒｅｃｔｌｙ，ａｎｄ　ｈａｓ　ａ　ｇｏｏｄ　ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ．Ａｎｄ　ｂｅｃａｕｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｃｅ　ｏｆ　ｃｏｎ—　

ｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｔｈｉｓ　ｊｏｉｎｔ　ｃａｎ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｗｉｄｅｌｙ．　

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｃｏｎｃｒｅｔｅ－－ｆｉｌｌｅｄ　Ｓｔｅｅｌ　Ｔｕｂｅ（ＣＦ　）；Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ；Ｒｉｎｇ　ｓｔｅｅｌ　ｂａｒ；Ｔｈｅ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　

钢管混凝土广泛应用于高层、超高层建筑、大跨度桥梁建设　

选项有助于非线性运算的收敛。　

中Ｉｌ　］，钢管混凝土柱的节点亦有多种形式。本文中提出带环筋　１．４钢的本构关系模型　

的穿心暗牛腿钢管混凝土柱节点不带环梁，能很好地满足建筑及　考虑材料的弹塑性时，使用多线随动强化准则，采用　

装饰设计要求＿３　］。文献［５—６］介绍了此种节点的试验研究情　

Ｖ０ｎ　Ｍｉｓｅｓ屈服准则和相关流动法则。屈服强度、抗拉强度、弹性　

况，但因为试验构件数量有限，故采用ＡＮＳＹＳ程序进行有限元分　

模量、泊松比分别取为３６０Ｎ／ｍｍ２、５２０　Ｎ／ｍｎ￣、２．０×１０６　Ｎ／ｒｎ　

析计算ｌ７～，并与试验数据进行对比，作为试验的补充。　

和０．２５。　

１有限元模型的建立　

１．５实体建模　

１．１单元类型　

计算模型的几何尺寸、材料性质等均与试验数据相同。因为　

混凝土采用８节点Ｓｏｌｉｄ　６５单元，每个节点有ｚ、　方向３　

个自由度，除了具有Ｓｏｌｉｄ　４５单元具有的性质如发生塑性变形、　

徐变的能力等，还另外针对混凝土的特性，具有开裂、压溃的能　

力；钢筋采用２节点Ｌｉｎｋ８单元；钢结构采用８节点Ｓｏｌｉｄ　４５单　

元，Ｓｏｌｉｄ　４５单元和Ｓｏｌｉｄ　６５单元一样具有　、Ｙ、　方向３个自由　

度，具有塑性变形、徐变、膨胀、应力强化和大变形的能力。　

１．２钢筋混凝土结构有限元模型　

本文中梁受力主筋、板放射筋和环筋采用分离式模型；板　

分布筋和梁箍筋采用整体式模型，通过Ｓｏｌｉｄ６５单元内配筋即　

定义实常数的方法进行添加，钢筋的尺寸由混凝土的体积比确　

定；裂缝采用分布裂缝模型。　

１．３混凝土本构关系模型　

本文中Ｓｏｌｉｄ６５单元屈服准则采用多线性各向同性硬化　

流动（Ｍｕｌｔｉｌｉｎｅａｒ　Ｉｓｏｔｒｏｐｉｃ　Ｈａｒｄｅｎｉｎｇ），破坏准则为Ｗｉｌｌｉａｍ—　

Ｗａｒｎｋｅ五参数强度模型。在ＡＮＳＹＳ程序中，定义混凝土这　

一

属性菜单有９个参数：展开裂缝的剪切传递系数、闭合裂缝　

的剪切传递系数、单轴抗拉强度、单轴抗压强度、双轴抗压强　

度、静水压力、上述静水压力下的双轴抗压强度和单轴抗压强　

度、材料拉裂后的应力释放因子。本文分析的构件只需输入前　

四项，取值分别为０．２、０．９、１．５７、一ｌ。单轴抗压强度取一１　

是关闭了混凝土的压碎选项，因为此构件混凝土压碎破坏的可　

能性很小，通常混凝土受压时在垂直于压应力方向由于泊松比　

效应引起的拉应变才是导致混凝土破坏的主要原因。关闭此　

收稿日期：２Ｏ１２一Ｏ３—１５　

作者简介：王燕瑁（１９８１．６－－），女，一级注册结构工程师。　

图１试验构件几何尺寸　

２０１２年Ｏ４期总第１６６期　王燕琚等・带环筋的穿心暗牛腿钢管混凝土柱节点有限元分析　・２６・　

试件为对称结构，故取四分之一进行结构分析。由于试验目的主　…　

要是研究梁板混凝土的裂缝开展和梁钢筋应力发展，所以钢管内　…ｌ　

部牛腿进行简化。而且为了减少加载点处混凝土出现应力集中，　

所以在梁端增加钢垫块。试验构件几何尺寸如图１所示。　

１．６网格划分　

网格划分是否合理将决定计算能否进行、计算结果是否准　

确和计算时间的长短。本文的网格划分完全手动控制单元的　

大小和形状，全部采用六面体单元。对试件的骨架部分进行网　

格划分时，对靠近钢管处网格进行了细化，以更好地收敛得到　

更精确的结果（图２ａ）。试件网格最后划分为１５３２７个混凝土　

Ｓｏｌｉｄ６５单元，３０２个钢筋ｌｉｎｋ　８单元，９４０个钢板Ｓｏｌｉｄ４５单元　

金４ｕ”ｆ　

３００『　

２００｝　

１００【　

０【　

０　

１００００　２００００　：　

Ｆ　丽　ｌ

二＝＝壹　霾ｌ　

应变（　￡）　

图４梁主筋荷载一应变对比图　

（图２ｂ）。　

（ａ）钢管及钢筋　（ｂ）整体试件情况　

图２网格划分图　

１．７边界条件与荷载　

在钢管顶面、底面所有节点施加三个方向的位移约束，在　

对称面上的节点则约束其法线方向的位移。在梁端施加集中　

荷载，均为２００ｋＮ。　

２计算结果分析　

２．１梁端挠度分析比较　

挠度变化与试验基本一致，不过在相同荷载下，有限元的　

结果一般小于试验结果。这是因为有限元求解时，把无限自由　

度问题转变成了有限自由度，可以认为是在真实位移场上增加　

约束强使它变成离散化模型的位移场，导致体系的刚度增加位　

移减小。　

５ＯＯ　

／一　

一

４００　

Ｚ　

３００　

橥２ｏ０　

１００　

／／　

０　

ｌ　

０　５　ｌ０　１５　

位移（ｍｍ）　

图３荷载一梁端挠度对比曲线图　

２．２裂缝开展　

两者裂缝的发展模式基本相同，但有限元分析得到的裂缝　

出现的较早，发展较快，而且到极限荷载时，发展得更充分，而　

且有限元分析中没有出现梁端部的局部破坏，因为为了混凝土　

的收敛，在梁端加了钢垫块而且关闭了混凝土的压碎选项。　

２．３钢筋应力比较　

２．３．１梁主筋应力对比　

如图４为梁主筋荷载一应变对比图，有限元分析的结果与试　

验数据相比，在弹性阶段比较吻合，有限元的结果略小于试验结　

。　

雪　

辎　

桎　

／　

．

｜　

：『　　。．　．　

５００　０　５００　ｌ０００　１５００　２０００　

应变（　ｅ）　

图５板放射筋荷载一应变对比图　

果，塑性阶段有限元结果大于试验数据，和前面的荷载一位移曲线　

相似，是由于有限元分析的裂缝开展过快造成的。试验中因为条　

件限制没有采集到的应变值，有限元分析补充了这一部分。　

２．３．２板放射筋应力对比　

如图５为板放射筋应力对比图，试验数据中应变有部分呈　

负值，这是由于试验中梁１是往复加载造成的残余应变，有限　

元分析则是单向加载，应变都为正值。有限元结果与试验结果　

总体趋势一致。　

３结论　

本文对试验构件进行了有限元分析，对其梁端挠度、裂缝　

发展、钢筋应力等和试验结果进行了比较，得出以下结论：　

（１）从梁端挠度比较、裂缝开展图比较和钢筋应力比较看　

到，有限元结果与试验结果总体上吻合，说明用ＡＮＳＹＳ有限　

元程序作为试验的辅助分析是可行的。　

（２）从梁主筋、环筋和板放射筋的有限元结果可以看到，有　

限元程序可以得到更详细的钢筋应力，补充试验无法测量的部　

分，更全面地掌握试件的受力状态。　

（３）从试验及有限元两方面均表明此带环筋的穿心暗牛腿　

钢管混凝土柱节点是一种传力直接、延性好、施工方便、有良好　

工程应用前景的节点。　

参考文献　

［１］韩林海．钢管混凝土结构——理论与实践［Ｍ］．北京：科学出版　

社，２００４．　．　

［２］钟善桐．钢管混凝土结构ＥＭ］．北京：清华大学出版社，２００３．　

Ｅ３］韩小雷，陈晖，季静，等．穿心暗牛腿钢管混凝土柱节点的试验研究．　

华南理工大学学报（自然科学版）［Ｊ］．１９９９，２７（１０）：９６一ｌｏ１．　

Ｅ４］季静，陈庆军，韩小雷．穿心暗牛腿钢管混凝土柱节点的模型试验研究　

．

华南理工大学学报（自然科学版）［Ｊ］．２００１，２９（７）：７Ｏ一７３．　

Ｅ５］季静，吴爱明，王燕瑁，等．新型穿心暗牛腿钢管混凝土柱节点试验　

及分析．华南理工大学学报（自然科学版）［Ｊ］．２００８，３６（３）：１１４—　

１２０．　

Ｅ６］王燕瑶．带环筋的穿心暗牛腿钢管混凝土柱节点试验研究及有限元　

分析ＥＤ］．广州：华南理工大学硕士学位论文，２００７．　

Ｅ７］郝文化．ＡＮＳＹＳ土木工程应用实例［Ｍ］．北京：中国水利水电出版　

社，２００７．　

Ｅ８］龚曙光，谢桂兰．ＡＮＳＹＳ操作命令与参数化编程［Ｍ］．北京：机械工　

、ｌ　出版社，２００４．