1、RC 梁-钢管混凝土柱节点环梁的有限元分析RC 梁钢管混凝土柱节点环梁的有限元分析作者：佚名 文章来源：论文网 点击数： 更新时间：2010-7-30 9:17:04摘要：混凝土（RC）环梁- 钢管混凝土柱（Steel tube confined concrete, STCC）节点连接是推广钢管混凝土柱与混凝土梁板楼盖的连接的关键技术之一。利用通用有限元软件 ANSYS，分析“”型环梁节点在梁端弯矩作用下的应力分布，并对其应力分布特点及内力传递机制进行定性的总结。关键词：钢管混凝土柱；RC 环梁节点；有限元分析；概述钢管混凝土（Steel tube confined concrete, STC
2、C）柱由于其优越的受力性能和良好的经济效益，已越来越多地用于高层建筑。我国高层建筑主要采用钢筋混凝土（RC）梁板楼盖，STCC 柱与 RC 梁的连接是必须解决的关键技术之一。在工程实践中，STCC 柱与 RC 梁连接方法不断创新，其中用 RC环梁连接 STCC 柱和 RC 梁的节点12具有诸多优点。至今为止，RC 环梁节点已经成功地用于 30 多幢高层和超高层建筑。RC 环梁节点的构造简图如图 1 所示：图 1 用 RC 环梁连接的 STCC 柱RC 梁节点简图1 有限元模型的建立由于“一”型环梁节点传力机制具有一般性，有限元模型根据“一”型环梁节点建立，利用对称性，取节点四分之一进行分析,如
3、图 2 所示。图 2 “一”型环梁节点模型采用通用有限元分析软件 ANSYS 对模型进行分析，采用实体单元 SOLID92 建模，梁材料为混凝土，取弹性模量为 3104MPa，泊松比为 0.21;不失一般性，柱近似为钢柱，取弹性模量为 2105MPa,泊松比为 0.2。环梁与柱间采用接触单元 TAN170 与 CON173 来模拟环梁与柱之间的接触受力。为研究在变框架梁剪跨比下环梁受力情况，总结环梁应力分布特点，在保证框架梁端弯矩一定的条件下，对有限元模型的框架梁不同距离的截面中节点处施加相应的不同集中力，并建立相应的四组模型进行分析，同时，为研究抗剪环对环梁内力的影响，并借此对比说明在一定剪
4、跨比下静摩擦力发挥的作用，考虑抗剪环建模再建立四组模型。模型几何及加载参数见表 1 及表2。表 1 有限元模型模型几何表表 2 有限元模型加载参数表2 计算结果的分析结果2.1 节点环梁内应力分析结果通过 ANSYS 有限元分析，得出以下环梁应力图及等应力面图：图 3 环梁节点内部应力比较2.2 节点环梁内应力分布特点从环梁节点内力分析可知：（1）环梁节点内部的径向应力分布均匀，环梁径向应力最大值出现在环梁与框架梁肢交接处的上部；环梁径向应力最小值出现在环梁与框架梁肢交接处的下部截面变化处。环梁拉压径向应力在环梁与框架梁肢交接范围内与环梁高度约 1/2 处为界，上拉下压，体现框架梁弯矩分解为一
5、对拉压作用力，（2）环梁节点的环向应力在环梁内部分布成明显规律性，以环梁高度 1/2 处为界，上部基本成受拉，下部受压。且上部环向应力沿环梁宽度近似成线性分布，在环梁与框架梁交接范围内十分明显，（3）第一主应力分析结果可知，框架梁肢拉力流在环梁内同样绕过钢管混凝土柱与对肢拉力流平衡，在环梁上部形成受拉曲梁的受力机理。2.3 抗剪环及框架梁剪跨比对节点环梁内应力分布的影响表 5 “一”型环梁节点内部应力比较表从表 5 可知，当框架梁端弯矩一定，环梁在不考虑抗剪环建模时，内力值随着框架梁剪跨比的增大而略有增大。在剪跨比为7.293.65 时，除 VonMises 应力值增大稍明显，达约 10外，其
6、他应力值增大很少，可以认为没有变化；在剪跨比为 2.43 时，环梁内力最大值有明显增大，最小值有明显减少，变化幅度较剪跨比为3.65 时为 314。当环梁考虑抗剪环建模时，环梁内力在剪跨比为 7.293.65 时，内力值变化不大；当剪跨比为 2.43 时，环梁内力最大值有明显增大，最小值有明显减少，变化幅度较剪跨比为 3.65 时为2947。环梁在考虑与不考虑抗剪环建模两种情况下，环梁内力随剪跨比减少而差别逐渐明显。当剪跨比在 7.293.65 时，两者差别小于10；当剪跨比在 2.43 时，考虑抗剪环内力比不考虑抗剪环内力增幅达 24.536.7，表明此时抗剪环对环梁节点抗剪必须发挥作用。因
7、此，通过“一”型环梁节点在不同剪跨比和是否考虑设置抗剪环的内部应力比较，可得一下结论：（1）在框架梁端弯矩一定时，环梁应力分布特点基本不受剪跨比变化和是否设置抗剪环的影响。（2）在框架梁端弯矩一定时，只要框架梁剪跨比大于一定值（约 3.652.43）时，环梁与钢管壁间的静摩擦力足够大，在环梁节点抗剪中起主要作用，而抗剪环发挥作用小。此时，环梁内力值可认为不随剪跨比变化而变化，且抗剪环的设置对环梁内力的影响可忽略。（3）在框架梁端弯矩一定时，只要框架梁剪跨比小于一定值（约 3.652.43）时，光靠环梁与钢管壁间的静摩擦力不能满足环梁节点抗剪要求，抗剪环对环梁节点抗剪必须发挥作用。此时，随着剪跨
8、比的减少，抗剪环发挥作用越加大，对环梁内力值影响越明显，环梁内力差别越大。3 结论通过对 RC 梁钢管混凝土柱节点环梁的有限元分析结果可知，节点环梁在框架梁端弯矩作用下，环梁传递弯矩机理简单的简化是:将框架梁的梁端弯矩分解为对环梁上部和下部的一对拉力和压力。拉力在环梁内传递连续，由环梁上部环筋、箍筋与楼板共同承担，环梁与钢管混凝土壁形成挤压，压力由环梁下部的混凝土承担并传递扩散至钢管混凝土柱上。框架梁端弯矩于节点环梁中的传递直接可靠。通过比较了变框架梁剪跨比和是否考虑抗剪环建模的影响。当剪环比较大时，环梁与钢管壁间的静摩擦力很大，理论上能单独满足环梁抗剪要求，抗剪环没发挥作用，对环梁内力的影响可忽略；而当剪环比较小时，静摩擦力不足，环梁依靠抗剪环抗剪，抗剪环的设置对环梁内力影响大。在工程设计中，抗剪环作为环梁节点的抗剪连接的必要措施，环梁节点能保证框架梁剪力到钢管混凝土的有效可靠的传递。参考文献：1蔡绍怀.现代钢管混凝土结构M.北京，人民交通出版社，2003.2方小丹,黄圣钧,李少云,钱稼茹,周栋梁.RC 梁 2 圆钢管混凝土柱节点环梁承载力设计方法J.建筑结构学报,2008,29(5):20-33
