Abstract：To discuss the compressive behavior of the Concrete Filled Steel Tubular (CFST) column-beam joint with the column tube discontinuous in joint zone, three axial compressive experiments are carried out. The results of experiments show that the joint has higher carrying capacity and reliable performance. ANSYS(a software for FEA)is used to carry out the nonlinear finite element analysis on the working mechanism of the joint. The crack form and mechanical properties of the joint is studied. The calculation results show good agreement between the experimental and analytical results.

　　Keywords：Concrete Filled Steel Tubular (CFST); joint; discontinuous tube; nonlinear finite element analysis; nonlinear;

　　摘 要：本文通過對3個節(jié)點區(qū)柱鋼管不連通式鋼管混凝土柱-梁節(jié)點進行的軸心受壓試驗，研究節(jié)點的受力性能。結(jié)果表明，節(jié)點具有較高的承載力和較好的受力性能。利用非線性有限元分析程序ANSYS，對該種節(jié)點的受力機理進行三維非線性有限元分析，進一步研究該節(jié)點的裂縫形態(tài)和受力性能等。分析結(jié)果表明，有限元模型計算結(jié)果與已有試驗結(jié)果吻合較好。

　　關(guān)鍵詞：鋼管混凝土柱;節(jié)點;不連通鋼管;有限元分析;非線性

　　中圖分類號：TU37 文獻標識碼：A 文章編號：

　　一 前言

　　節(jié)點是鋼管混凝土節(jié)點是鋼管混凝土中的重要組成部分，但在節(jié)點的受力性能、破壞機理及連接構(gòu)造等方面還有許多尚待研究和尚未解決的問題[1]。傳統(tǒng)的鋼管混凝土柱-梁節(jié)點的思路均為鋼管混凝土柱沿全高保持連續(xù)，樓蓋梁板從鋼管柱側(cè)面與其連接，主要依靠牛腿、抗剪環(huán)筋等實現(xiàn)剪力的傳遞，彎矩的傳遞則主要依靠加強環(huán)板、混凝土環(huán)梁或連續(xù)鋼筋來實現(xiàn)。這就造成了節(jié)點的設(shè)計與施工上的復(fù)雜與困難。為了在一定程度上克服現(xiàn)有節(jié)點的缺陷，作者根據(jù)約束混凝土的基本原理提出了一種新型鋼管混凝土柱-梁節(jié)點型式——節(jié)點區(qū)柱鋼管不連通式鋼管混凝土柱-梁節(jié)點。

　　該節(jié)點其主要特點是：柱鋼管在節(jié)點區(qū)不連通，保持樓層框架梁縱筋貫通節(jié)點，柱鋼管由于在節(jié)點區(qū)不連續(xù)而導(dǎo)致其軸向承載力的下降，通過采用環(huán)梁加大節(jié)點區(qū)截面并配置環(huán)形鋼筋來加強。由于柱鋼管不直通，梁縱筋或型鋼可連續(xù)地通過節(jié)點區(qū)，節(jié)點區(qū)的連接構(gòu)造形式簡單。采用這種形式的鋼管混凝土柱-梁節(jié)點的施工方便，和現(xiàn)有的普通鋼筋混凝土柱-梁節(jié)點的施工方法類同，避免了現(xiàn)有各種節(jié)點在節(jié)點區(qū)施工困難的弊端。對于該種新型節(jié)點，已有部分研究者通過試驗論證了其可行性，并初步探討了其受力機理和力學(xué)性能[2]-[3]，但還沒有形成一套較為完整的理論。為了完善該種新型鋼管混凝土柱-梁節(jié)點的設(shè)計理論，本文通過3個新型鋼管混凝土柱-梁節(jié)點試件的軸心受壓試驗和其中一個試件的非線性有限元分析，研究了該種節(jié)點的受力性能。

　　二 試件設(shè)計

　　本次試驗節(jié)點鋼管在節(jié)點區(qū)并未完全斷開，只是在兩個正交方向各開有兩個與梁截面尺寸相同的孔。鋼管采用Q235鋼材，鋼管厚度5.5mm。環(huán)梁部位配置有由環(huán)筋與箍筋組成的鋼筋籠，試件參數(shù)變化如表1所示。為降低節(jié)點的承載力，得到節(jié)點的破壞型式及破壞荷載，本次試驗節(jié)點區(qū)混凝土等級為C30，鋼管柱混凝土等級為C40。

　　三 試驗結(jié)果分析

　　3.1 試件的主要破壞特征及破壞形態(tài)

　　試件在加載至30%～40%極限荷載時，在試件側(cè)面出現(xiàn)豎向裂縫，隨著荷載進一步增加，試件上表面開始出現(xiàn)徑向裂縫，裂縫一直從柱邊開始沿環(huán)梁上表面發(fā)展至環(huán)梁側(cè)面。在荷載達到60%～70%極限荷載時，在環(huán)梁側(cè)面約h/2處出現(xiàn)環(huán)向裂縫。在達到試件的極限荷載時，環(huán)向裂縫已經(jīng)基本貫通，上表面徑向裂縫與側(cè)面豎向裂縫將節(jié)點分成較多小塊，部分試件節(jié)點區(qū)混凝土有脫落現(xiàn)象。靠近環(huán)梁上下表面處的鋼管出現(xiàn)鼓屈現(xiàn)象。

　　3.2 荷載-位移曲線

　　試件的荷載-位移曲線如圖1所示。試件開始加載后，處于彈性階段，荷載-位移曲線基本上呈直線。隨著荷載的增大，軸向變形發(fā)展加快，荷載-位移曲線開始呈現(xiàn)非線性關(guān)系。隨著荷載的進一步增大，鋼管與試件內(nèi)的鋼筋達到屈服，試件的軸向變形繼續(xù)增加。總體來說，在試件達到極限荷載前，試件的整體軸向變形變化比較緩慢，在達到極限荷載，荷載-位移曲線開始進入下降段后，試件的整體軸向變形迅速增加，荷載-位移曲線趨于平緩。從荷載-位移曲線可以看出，在試件達到極限荷載后，并沒有發(fā)生突然的脆性破壞，而是在保持極限承載力一段時間不變的前提下，變形有進一步發(fā)展，然后開始出現(xiàn)荷載下降，而位移迅速增大的情況，試件具有較好的延性。

　　3.3 環(huán)筋應(yīng)變分析

　　3.3.1 同層環(huán)筋應(yīng)變對比

　　試件同層內(nèi)外圈環(huán)筋的荷載-應(yīng)變曲線如圖2所示。從圖中可以看出，環(huán)梁同層環(huán)筋的應(yīng)變在橫向上由內(nèi)圈向外圈衰減。

　　3.3.2 環(huán)筋沿豎向應(yīng)變對比

　　試件環(huán)筋沿豎向的荷載-應(yīng)變曲線如圖3所示。從圖中可以看出，環(huán)梁環(huán)筋應(yīng)變沿豎向在節(jié)點中央?yún)^(qū)最大，從中央向上下兩端衰減。

　　四 有限元分析

　　本文選擇通用有限元分析軟件ANSYS，對C試件進行非線性有限元分析。重點對試件的荷載-位移曲線和節(jié)點環(huán)筋的受力性能進行分析對比。

　　4.1 單元類型的選擇及模型的建立

　　在本次有限元分析中，鋼筋混凝土部分采用分離式模型，將混凝土和鋼筋作為不同的單元來處理，然后將二者進行組合[4]。其中混凝土采用三維實體單元Solid65單元。鋼筋選用三維桿單元Link8單元。鋼管選用Solid45單元。混凝土材料選用的是多線性等向強化模型(MISO)遵循Von Mises屈服準則。鋼筋和鋼管材料選用雙線性隨動強化模型(BKIN)，其屈服準則為Von Mises屈服準則。同時，假定鋼管壁與混凝土完全粘結(jié)，并且忽略鋼管壁的局部屈曲。另外在試驗中發(fā)現(xiàn)鋼筋與混凝土之間滑移較少，因此有限元模型中忽略鋼筋與混凝土之間的滑移。利用對稱性原理，取軸心受壓試件的1/4進行建模。

　　4.2 有限元分析結(jié)果

　　4.2.1 裂縫開展情況

　　根據(jù)非線性有限元分析過程，可以大致將試件的裂縫開展過程分為3個階段。第一階段為裂縫出現(xiàn)階段。在1660kN時，環(huán)梁上表面出現(xiàn)徑向裂縫，從柱邊發(fā)展至環(huán)梁邊緣，沿環(huán)梁側(cè)面形成豎向裂縫，此時裂縫較少。第二階段為環(huán)向裂縫出現(xiàn)階段。當荷載增加到2910kN時，開始在環(huán)梁側(cè)表面上出現(xiàn)環(huán)向裂縫，同時有較多條新的徑向裂縫及豎向裂縫出現(xiàn)，第三階段為達到極限荷載時。此時環(huán)梁上表面徑向裂縫呈放射狀分布整個截面，將環(huán)梁上表面分割成較多小塊。另外，在環(huán)梁的側(cè)面，豎向裂縫發(fā)展也基本布滿整個表面，沿豎向?qū)h(huán)梁側(cè)面分成較多小塊。

　　通過讀取不同荷載步下的裂縫發(fā)展情況來看，盡管裂縫出現(xiàn)的時間比試驗觀察到裂縫的時間早，而且有限元模型的裂縫是通過積分點來表示的，無法像試驗一樣觀察裂縫寬度等情況，另外在試驗過程中，多種復(fù)雜因素的干擾，裂縫的開展特征不像有限元分析結(jié)果那樣理想化，但是裂縫開展的順序，裂縫發(fā)展的趨勢以及裂縫最后的分布情況，有限元分析所得出的結(jié)果與試驗所觀察到的結(jié)果基本是一致的，具有一定的代表性。

　　4.2.2 荷載-位移曲線

　　將C試件有限元分析所得到的荷載-位移曲線與試驗曲線對比，如圖4所示。從圖中可以看出，試驗曲線與有限元曲線吻合較好，但從圖中也反映出程序計算的軸壓剛度與混凝土的實際剛度稍有差異。這主要是由于采用的混凝土的本構(gòu)關(guān)系與混凝土的實際應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系稍有偏差所導(dǎo)致的。另外還有一些試驗誤差，包括：試件施工誤差，試件安裝誤差以及加載和數(shù)據(jù)采集的誤差，對試驗結(jié)果有一定影響，這也是導(dǎo)致二者剛度稍有偏差的原因。

　　4.2.3 鋼筋應(yīng)力狀態(tài)分析

　　在建模時采用的分離式建模的方式，可以方便的考察節(jié)點區(qū)環(huán)筋的應(yīng)力情況。當加載到極限荷載時，鋼筋的應(yīng)力情況如圖5所示。從圖中可見：1)環(huán)梁中同層環(huán)筋的應(yīng)力在橫向上由內(nèi)圈向外圈衰減，這可以從各層環(huán)筋的應(yīng)力分布看出;2)對比各層環(huán)筋的峰值應(yīng)力，可以看出環(huán)筋的應(yīng)力在豎向上由中央向兩端逐漸衰減。這些鋼筋應(yīng)力的變化規(guī)律與試驗所得到的變化規(guī)律基本相符。

　　五 結(jié)語

　　本文中通過節(jié)點區(qū)柱鋼管不連通式鋼管混凝土柱-梁節(jié)點的軸壓試驗結(jié)果的分析，并且將試驗結(jié)果與有限元分析結(jié)果進行了對比得出了以下主要結(jié)論：

　　1.節(jié)點區(qū)內(nèi)柱鋼管不連通，而通過環(huán)梁和環(huán)向鋼筋形成約束混凝土的新型鋼管混凝土柱-梁節(jié)點的方案是可行的，節(jié)點具有較高的承載力和較好的延性。

　　2.節(jié)點內(nèi)環(huán)筋的應(yīng)變在混凝土開裂引起環(huán)筋應(yīng)變發(fā)生突變前，有從內(nèi)圈向外圈，從中央向上下兩端衰減的趨勢。

　　3.本文針對節(jié)點區(qū)柱鋼管不連通式鋼管混凝土柱-梁節(jié)點，建立三維非線性有限元分析模型。分析了試件的裂縫開展情況、荷載-位移曲線及節(jié)點區(qū)環(huán)筋的應(yīng)力狀態(tài)，并與試驗結(jié)果進行了對比。分析結(jié)果表明，有限元結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好，驗證了模型的可行性和合理性，也進一步明確該種節(jié)點區(qū)柱鋼管不連通式鋼管混凝土柱-梁節(jié)點的力學(xué)性能和工作機理，為實際工程提供參考。

　　參考文獻

　　[1] 蔡健，黃泰赟，盧樹輝. 鋼管混凝土柱節(jié)點的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀綜述. 工程力學(xué)(增刊). 2000年，pp.169～174

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　　[3] 梁劍. 新型鋼管混凝土柱-梁節(jié)點軸壓性能基礎(chǔ)研究-RC樓層間鋼管非連通節(jié)點[D]. 華南理工大學(xué). 2003年5月

　　[4] 江見鯨，陸新征，葉列平. 混凝土結(jié)構(gòu)有限元分析[M]. 第一版.清華大學(xué)出版社，北京，2005